Учёные из Швейцарии сообщили о прорыве в квантовых вычислениях

На пути у программируемых квантовых систем одним из препятствий является вероятностный характер полученных на квантовых компьютерах расчётов. Путей для коррекции ошибок много, но все они сложные и затратные. Обойти препятствие обещают исследователи из Швейцарии, которым впервые удалось быстро и непрерывно исправлять ошибки в цифровых квантовых системах.

Источник изображения: ETH Zurich

Группа учёных из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) спроектировала и реализовала на практике криогенную квантовую платформу с блоком автоматического исправления ошибок. Статья о работе опубликована на ресурсе ArXiv.org и ждёт рецензирования для печати в одном из научных изданий.

«Демонстрация того, что ошибки в квантовом компьютере, работающем с квантовыми битами (кубитами), могут быть исправлены быстро и многократно, является прорывом на пути к созданию практического квантового компьютера», — подтвердил Андреас Валлрафф (An­dreas Wallraff), профессор кафедры физики и директор Квантового центра при ETH Zurich.

Для надёжной коррекции ошибок квантовых вычислений исследователи воспользовались так называемым поверхностным кодом, когда кубиты сформированы в двумерные матрицы из логических и физических кубитов, когда информация о состоянии одного логического кубита распределена в виде состояний нескольких физических кубитов. Считается, что только так одновременно могут исправляться оба фундаментальных типа ошибок в квантовых расчётах: со случайными переворотами битов и со случайными переворотами фазы.

Источник изображения: ETH Zurich

Для эксперимента был изготовлен чип из 17 сверхпроводящих кубитов.

Из этого числа 9 кубитов располагались в виде матрицы 3×3 и представляли собой один логический кубит — это фактически один разряд, если сравнивать его с классическим компьютером. Остальные 8 кубитов, размещённые со смещением относительно матрицы, служили механизмом для обнаружения и коррекции ошибок.

Если в предложенной архитектуре в логическом кубите происходило искажающее информацию возмущение, то система распознавала его как ошибку. Для коррекции ошибки управляющая электроника вносила изменение в измерительный сигнал до тех пор, пока информация не была восстановлена. В этом механизме есть уловка, в чём исследователи сами признаются. Они исправляют не ошибку состояния кубита, а вносят коррективы в снятый с кубита сигнал.

Источник изображения: ETH Zurich

«Сейчас мы не исправляем ошибки непосредственно в кубитах, — признается Себастьян Криннер (Sebastian Krinner), учёный из группы Валраффа и ведущий автор исследования вместе с Натан Лакруа (Nathan Lacroix). — Но для большинства арифметических операций это даже не нужно».

В качестве следующего шага исследователи хотят создать чип с решёткой из пяти кубитов, что требует соответственно более сложной технологии, и будет включать больше кубитов для коррекции ошибок. Решение группы на первый взгляд представляется слишком сложным, но альтернативы ещё хуже. К примеру, согласно исследованию Google, для полного устранения ошибок в квантовых вычислениях на каждый логический кубит необходимо выделять 1000 физических кубитов.