Ученые впервые применили квантовую коррекцию ошибок к кудитам
Исследователи впервые реализовали квантовую коррекцию ошибок для кудитов — разновидности кубитов, способных существовать более чем в двух состояниях. Этот прорыв стал возможен благодаря использованию "бозонного кода Готтсмана-Китаева-Прескилла", оптимизированного с помощью алгоритма обучения с подкреплением. Результаты могут упростить создание квантовых компьютеров.
Большинство современных квантовых компьютеров обрабатывают информацию с помощью кубитов — базовых единиц, аналогичных битам в классических вычислениях. Однако в отличие от бинарной системы обычных компьютеров, кубиты благодаря квантовой суперпозиции могут одновременно находиться в двух состояниях.
Вычислительная мощность квантовых систем определяется так называемым "гильбертовым пространством". Чем оно больше, тем сложнее вычисления можно выполнять. Кубиты работают в двумерном пространстве, тогда как их многомерные аналоги — кудиты — расширяют эти возможности.
Интерес к кудитам растёт, поскольку они теоретически упрощают выполнение сложных задач: построение квантовых вентилей, обработку алгоритмов или создание "магических состояний" — особых квантовых состояний, недоступных классическим компьютерам, но критически важных для полноценных квантовых вычислений. Это расширяет потенциальные области применения технологии.
Экспериментальный прорыв в коррекции ошибок
Хотя ранее предлагались архитектуры на основе фотонных, атомных и сверхпроводящих кудитов, порог квантовой коррекции ошибок (QEC) — момент, когда исправленная система сохраняет информацию дольше неисправленной — до сих пор преодолевался только для кубитов.
В исследовании, опубликованном в , учёные из Йельского университета впервые экспериментально продемонстрировали QEC для кудитов, достигнув этого порога. "Это стало возможным благодаря обобщению экспериментальных методов и разработке новых протоколов измерений", — отмечают авторы.
ИИ-оптимизированный протокол
Квантовые компьютеры чрезвычайно чувствительны к шумам, которые могут вызывать ошибки или потерю данных. QEC помогает сохранять целостность информации достаточно долго для выполнения вычислений.
Команда реализовала QEC для кутритов (3 состояния) и куквартов (4 состояния), используя бозонный код GKP в трёхмерной сверхпроводящей микроволновой полости. Эта конструкция объединяет квантовый осциллятор и транспмонный кубит (особый сверхпроводящий кубит с пониженной чувствительностью к зарядовым шумам), что упрощает кодирование, считывание и стабилизацию логических состояний.
"Наши исследования опираются на перспективу аппаратной эффективности бозонных кодов и предлагают новый способ использования обширного гильбертова пространства осциллятора", — подчеркивают ученые.
Бозонный код GKP позволяет кодировать логические состояния кутритов и куквартов с помощью волновых функций, организованных в периодическую решётку. Этот метод распределяет информацию через периодические смещения в пространстве, что облегчает обнаружение и исправление незначительных ошибок до их необратимого накопления.
Перспективные результаты, несмотря на физические ограничения
Для тонкой настройки протокола исследователи применили алгоритм обучения с подкреплением. Искусственный интеллект автономно подбирал наиболее эффективные экспериментальные параметры, корректируя до 45 переменных для оптимизации точности квантовой памяти за несколько операционных циклов — уровень точности, практически недостижимый традиционными методами.
После оптимизации команда достигла коэффициента коррекции ошибок 1.82 для кутритов и 1.87 для куквартов. Это означает, что скорректированная информация в кудитах сохранялась на 82% и 87% дольше соответственно по сравнению с некорректированными версиями, преодолев порог эффективности коррекции. По словам исследователей, эти показатели сопоставимы или превосходят результаты QEC-кубитов, тестируемых на аналогичной платформе.
Однако сохраняются технические ограничения:
- Логические состояния требуют большего энергетического расстояния при увеличении сложности, что повышает их уязвимость к шумам
- Фотонные потери и дефазировка в сверхпроводящих системах растут пропорционально энергии состояния, сокращая время жизни квантовой информации
Компенсация недостатков:
"Незначительное сокращение времени жизни окупается доступом к большему числу логических квантовых состояний в одной физической системе", — поясняют авторы. "Это может обеспечить более эффективную компиляцию квантовых вентилей и алгоритмов, альтернативные методы квантовой коммуникации и трансдукции, а также преимущества конкатенации в многокудитных внешних кодах".
Перспективы: вложенная квантовая архитектура
Основным источником дефазировки оказался вспомогательный транспмонный кубит. Некоторые из таких кубитов демонстрируют непреднамеренный нагрев, увеличивающий частоту ошибок на начальных этапах вычислений. Проблему могут смягчить усовершенствованные системы охлаждения или оптимизированные вспомогательные элементы.
Ближайшие планы команды включают:
- Масштабирование протокола на запутанные кудиты — ключевые элементы крупномасштабных квантовых вычислений
- Исследование «внутренней конкатенации» — метода встраивания логического кубита в логический кудит для создания многоуровневой защиты в рамках единого осциллятора