В Китае разработан новый метод защиты кубитов от ошибок
Китайские учёные создали «непоколебимый» квантовый блок, устойчивый к ошибкам с момента своего создания. Квантовые компьютеры обещают решить задачи, неподвластные сегодняшним машинам, но их базовые единицы — кубиты — невероятно хрупки. Даже малейшее возмущение может уничтожить всю хранимую ими хрупкую квантовую информацию.
Теперь группа исследователей под руководством Пань Цзяньвэя из Научно-технического университета Китая сделала важный шаг на пути к преодолению этой проблемы. В своей последней работе они сообщают о создании квантового блока, который остаётся нетронутым даже при встряхивании. Это достижение было достигнуто с использованием мощного программируемого сверхпроводящего квантового процессора «Цзучунчжи-2».
Чтобы понять важность этой работы, представьте, что вы пытаетесь сохранить мыльный пузырь целым, проходя через заполненную людьми комнату. Примерно так же сложно сохранить квантовую информацию. Традиционные методы коррекции ошибок помогают, но они сложны и требуют множества дополнительных кубитов. Команда Пана выбрала другой подход, обратившись к топологии — области математики, изучающей глобальные свойства форм. В топологических фазах материи некоторые свойства становятся удивительно устойчивыми, поскольку зависят от этих глобальных особенностей, а не от хрупких локальных деталей.
Исследователи уже изучали топологические материалы, защищённые состояния которых проявляются вдоль их краёв. Однако китайская группа стремилась к чему-то более неуловимому: топологическим фазам высшего порядка, в которых защищённые состояния собираются в ещё меньших областях, таких как углы. Эти «угловые моды» не являются буквально неразрушимыми, но они могут быть более устойчивыми к помехам, чем обычные квантовые состояния. Особенно сложным проект делало то, что команда сосредоточилась на неравновесных версиях этих фаз — системах, которые постоянно развиваются или управляются внешними силами, вместо того чтобы приходить в устойчивое состояние. Такие фазы не встречаются в природных материалах, и учёные не имели надёжных инструментов для их проверки или наблюдения.
Чтобы решить эту задачу, исследователи использовали часть своего сверхпроводящего процессора «Цзучунчжи-2», расположив решётку кубитов 6×6 в качестве программируемого квантового симулятора. Поскольку этот процессор можно перенастраивать, подобно квантовой версии центрального процессора, команда смогла сконструировать точные взаимодействия между кубитами, имитирующие синтетический материал с топологическим поведением высшего порядка. Затем они применили последовательность контролируемых операций для создания желаемых неравновесных топологических фаз. Обнаружение этих фаз потребовало новой стратегии: вместо изучения статических свойств они измеряли, как эволюционирует поведение кубитов. Отслеживая эту динамику, они идентифицировали характерные признаки угловых мод, подтвердив успешное моделирование как равновесных, так и неравновесных топологических фаз высшего порядка.
Созданный исследователями квантовый блок представляет собой первую экспериментальную демонстрацию неравновесных топологических фаз высшего порядка на программируемом квантовом процессоре. Это показывает, что даже современные шумные процессоры промежуточного масштаба можно использовать в качестве универсальных платформ для создания и изучения экзотических состояний материи, предлагая мощный новый инструмент для будущего квантовой науки. Хотя эта работа ещё не создаёт полностью защищённый от ошибок кубит, она указывает перспективное направление — использование топологии для проектирования квантовых состояний, изначально менее чувствительных к определённым помехам. Если такие защищённые режимы удастся воплотить в будущем оборудовании, они могут стать основой для более надёжной квантовой памяти или логических элементов. Это, в свою очередь, могло бы помочь раскрыть потенциал крупномасштабных квантовых вычислений для таких задач, как сложное моделирование, передовой дизайн материалов или исследования искусственного интеллекта.
Однако важные проблемы остаются. Например, продемонстрированные здесь защищённые угловые состояния существуют в тщательно контролируемой смоделированной среде, а не в физическом материале. Их стабильность в условиях реального шума всё ещё требует тщательного тестирования, и метод необходимо будет масштабировать далеко за пределы массива 6×6 кубитов, чтобы он стал полезен в практических машинах. Следующие шаги включают изучение взаимодействий между кубитами, исследование более сложных топологических фаз и применение подхода для изучения специально разработанных квантовых материалов — как в равновесии, так и вне его.
Исследование в журнале Science.