Физики предложили способ считывать квантовую информацию, практически не нарушая состояние кубита
Международная группа физиков разработала новый метод считывания квантовой информации, позволяющий определять состояние кубита с минимальным воздействием на него. В компьютерном моделировании точность восстановления квантового состояния достигла 99,85%. Предложенная технология использует электрический ток, протекающий без сопротивления, и не требует дополнительных кубитов, которые обычно применяются для защиты квантовой информации во время измерений.
Исследование провели специалисты Университета Сан-Паулу в Бразилии и Пекинского технологического института в Китае под руководством Жозе Карлоса Эгеса и Юйгуя Яо. Учёные сосредоточились на одной из основных проблем квантовых вычислений — сложности считывания информации без изменения состояния системы. В отличие от обычных битов, принимающих значения 0 или 1, кубиты могут находиться в суперпозиции этих состояний. Однако измерение способно нарушить суперпозицию и привести к потере первоначальной квантовой информации.
Для решения этой проблемы существуют методы, использующие вспомогательные кубиты. Они позволяют получать сведения о квантовой системе косвенным способом, снижая воздействие на её состояние. Однако такой подход требует дополнительных операций и оборудования, что усложняет создание крупных квантовых процессоров.
Исследователи предложили использовать кубиты Андреева, названные в честь советского физика Александра Андреева. Их квантовые состояния возникают в нанометровых структурах между сверхпроводниками. Особенность таких систем заключается в том, что через них может протекать сверхпроводящий электрический ток, характеристики которого зависят от состояния кубита.
Учёные установили, что при нахождении кубита в суперпозиции двух состояний сверхток приобретает колебательную составляющую. Эти колебания возникают вследствие квантовой интерференции и содержат информацию о состоянии системы. По величине постоянной составляющей тока и амплитуде колебаний можно определить соотношение двух базовых состояний, а по фазе колебаний — характер их квантовой связи.
Для регистрации сигнала физики предложили поместить кубит в замкнутый сверхпроводящий контур, рядом с которым располагается SQUID — сверхпроводящий квантовый интерферометр, способный обнаруживать чрезвычайно слабые магнитные поля. Измеряя изменения магнитного поля, создаваемого током, прибор позволяет восстановить квантовое состояние без непосредственного измерения самого кубита.
Чтобы проверить предложенный метод, исследователи провели компьютерное моделирование с учётом помех и воздействия измерительного оборудования. В зависимости от количества измерений точность восстановления состояния составила 99,52%, 99,81% и 99,85%. При этом влияние измерительного прибора оказалось достаточно небольшим, чтобы приблизиться к режиму практически неразрушающего считывания информации.
Дополнительным преимуществом является возможность проводить последовательные измерения без повторной подготовки кубита к исходному состоянию. Это потенциально позволит упростить архитектуру квантовых процессоров и сократить количество вспомогательных операций, необходимых для обнаружения и исправления ошибок.
Однако работа пока носит исключительно теоретический характер. Исследователи использовали параметры существующих сверхпроводящих устройств, но предложенная измерительная схема ещё не создана и не проверена экспериментально. Кроме того, полностью устранить воздействие измерения на квантовое состояние невозможно. Дальнейшие эксперименты должны показать, насколько точно разработанный метод можно реализовать на практике.
Результаты исследования в научном журнале Physical Review B.