«Котячі» кубіти зробили квантовий комп'ютер більш відмовостійким

Фізики з компанії Amazon представили схему відмовостійкого квантового комп'ютера, в якому реалізовано новий підхід до квантової корекції помилок. В основі архітектури цього комп'ютера лежать «котячі» кубіти (що знаходяться в квантовому стані кота Шредінгера), що володіють високою стійкістю до перевертання битів. Препринт статті опубліковано на arXiv.org.


Створення квантового комп'ютера - це непросте завдання. Проблема полягає в тому, що квантова система неминуче контактує з навколишнім середовищем. При цьому інформація про квантову систему, спочатку закодована в пристрої, просочується в навколишнє середовище. Це явище називається декогеренцією. Після декогеренції вже не можна отримати доступ до всієї інформації про пристрій, спостерігаючи тільки за ним. Це означає, що відбувається помилка і частина інформації втрачається. Для того, щоб побудувати надійний квантовий комп'ютер, потрібно навчитися зводити до мінімуму такі помилки.


Один з підходів - зменшення кількості помилок логічного елемента з використанням надлишкового числа кубітів, або активна квантова корекція помилок. Цей метод заснований на природному припущенні, що якщо порівняти кілька копій одного і того ж стану і вони будуть відрізнятися між собою, то сталася помилка, а в зворотному випадку все в порядку. Незважаючи на деякі труднощі (у квантовій механіці неможливо просто скопіювати кубіт), такий підхід реалізуємо на практиці. Але у нього є недолік - необхідність використання додаткових кубітів помітно збільшує їх загальну кількість, що робить завдання більш складним з точки зору технічної реалізації.

Пасивна, або автономна, квантова корекція помилок - це протилежний підхід. Для його здійснення розробляють фізичні обчислювальні системи, які мають внутрішню стійкість до помилок.

Група вчених з Amazon під керівництвом Фернандо Брандао (Fernando Brand^ o) розробила нову схему квантового комп'ютера, стійкого до помилок. Вони використовували «котячі» кубіти, або кубіти в квантовому стані кота Шредінгера (cat state), тобто в суперпозиції когерентних станів з протилежними фазами. Ідея полягає в тому, що після стабілізації «котячого» кубіту помилки з переворотом битів стають надзвичайно рідкісними, а помилки перевороту фази - частішими. А для того, щоб захиститися від помилок перевороту фази, можна використовувати активну корекцію помилок. У даному випадку для активної корекції помилок використовувався найпростіший код повторення на основі X, де X - матриця Паулі.

Для виконання логічних операцій на кубітах використовуються квантові вентилі. У більш ранніх роботах було показано, що універсальний набір вентилів, включаючи вентилі X, Z, CNOT і Тоффолі, може бути виконаний на «котячих» кубітах з використанням того ж двофотонного механізму збудження і втрат. Ключовий момент полягає в тому, що ці вентилі не тільки універсальні, але і не призводять до додаткових переворотів бітів. «Котячі» кубіти, між якими здійснюється логічна операція, повинні бути підключені в єдиному підживлювальному резервуару. Автори дослідження виявили, що таке підключення призводить до корельованих помилок між ними. Якщо з'єднати більше чотирьох кубітів до одного резервуара, ці перешкоди не будуть скомпенсовані активною корекцією помилок. Це число і визначило компонування та можливості підключення архітектури.

Ідея використовувати разом стану кота Шредінгера і активну корекцію помилок не нова. Відмінність цього дослідження від попередніх полягає в тому, що вчені виконали повне моделювання шуму, включаючи поглиблене дослідження рідкісних процесів перевороту битів. Використання архітектури, запропонованої в роботі, і активної корекції помилок, дозволяє досягти логічної помилки 2,7 ^ 10-8, використовуючи всього 9 кубітів коду даних - це поліпшення більш ніж на п'ять порядків порівняно з повністю незахищеними кубітами. Згідно з оцінкою вчених, така схема («котячі» кубіти і коди повторення) з трохи більш ніж двома тисячами надпровідних компонентів, використовуваних для стабілізації, могла б створити сотню логічних кубитів, здатних надійно виконати тисячу вентилів Тоффолі.

Раніше ми розповідали про ще один успіх у галузі квантових обчислень - про те, як квантова корекція помилок навчилася перетравлювати вдвічі більший шум.


COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND