Физики впервые показали топологическую коррекцию ошибок

Новая технология позволяет эффективно нивелировать влияние внешних помех на квантовые биты. Потому достижение является важным шагом на пути к построению мощных и масштабируемых квантовых компьютеров.

Группа учёных из Китая, Канады и Австралии реализовала «в металле» топологическую коррекцию ошибок (TEC), доказав на практике возможность создания важнейшего элемента топологического квантового компьютера (topological quantum computer).

Последнее, гипотетическое пока ещё устройство является более устойчивой версией «просто» квантового компьютера. Топологический компьютер в роли единиц хранения информации (кубитов) использует квазичастицы энионы, чьи мировые линии в пространстве-времени переплетаются так, что создают нечто вроде кос.

Эти топологические структуры, подчиняющиеся теории кос (braid theory), формируют логические элементы, обладающие интересными свойствами.

В частности, с их помощью можно избежать влияния на квантовые вычисления внешних помех (тепла, электромагнитных полей), вызывающих декогеренцию.

Запутанные фотоны создавались при помощи пропускания лазерных импульсов через нелинейные кристаллы и светоделители. Информация представлялась в виде различной поляризации фотонов (иллюстрация Xing-Can Yao et al./ Nature).

Для этого каждый логический кубит должен храниться в виде набора запутанных особым образом физических кубитов (они и создадут «косы»). В данном случае в этой роли использовались фотоны.

Учёные создали четыре пары запутанных фотонов.

Члены пар были разъединены и затем сгруппированы в новые запутанные пары. В результате из восьми фотонов создавался кластер, который в пространстве состояний условно можно представить как трёхмерный куб, где каждый фотон квантово сцеплен со своими непосредственными соседями.

Специфика связей тут такова, что проводя серию измерений над такими фотонами, можно определять присутствие ошибки в данных и устранять её (в общих чертах принцип напоминает тот, что был использован в опыте 2004 года).

Топологический кластер. Шарики – кубиты. Сплошные линии – связи, формирующие граф их взаимодействия (иллюстрация Xing-Can Yao et al./ Nature).

Тут может быть проведена такая аналогия. Тор (бублик) можно сколько угодно скручивать и изгибать, но пока вы не разорвали его, вы всегда можете распознать в нём именно тор.

Так и кластер кубитов в технологии TEC сохраняет свои топологические свойства, несмотря на внешнее воздействие, искажающее форму.

Для проверки теории исследователи намеренно вызвали декогеренцию одного из физических кубитов и на деле показали, что алгоритм TEC способен указать – какой именно фотон был затронут, и устранить ошибку.

Более того, когда негативному воздействию (с определённой долей вероятности) были подвергнуты все фотоны-кубиты в кластере, алгоритм TEC позволил значительно уменьшить общую ошибку в представляемых данных.

По мнению авторов опыта, он доказывает, что TEC – один из самых практичных подходов к созданию квантовых компьютеров. Причём принцип TEC совместим с целым рядом физических реализаций кубитов (но, увы, не со всеми), в том числе с твердотельными системами, например, на основе квантовых точек и переходов Джозефсона.

Последнее важно для масштабирования данной технологии. Сами авторы, к слову, намерены продолжить своё исследование. Они попытаются создать аналогичную высоко устойчивую систему из большего числа кубитов.

(Детали эксперимента изложены в Nature.)