Квантовые компьютеры: "кошачий" кубит сопротивляется ошибкам в течение рекордно долгого времени

Исследователи создали квантовый бит, известный как "кошачий кубит", который может выдерживать ошибки, присущие квантовым компьютерам, более 10 секунд - в 10 000 раз дольше, чем ранее протестированные. Такой беспрецедентный уровень контроля может сократить количество кубитов, необходимых для исправления ошибок, в 10 раз, что откроет путь к созданию надежных и практичных квантовых компьютеров.

В отличие от битов в обычных компьютерах, которые обрабатывают информацию в двоичной форме (0 или 1), кубиты могут принимать форму любой комбинации двух значений одновременно (квантовая суперпозиция). Этот аспект логически позволяет квантовым компьютерам значительно превосходить вычислительные возможности обычных компьютеров, позволяя им решать проблемы, которые обычно считались неразрешимыми. Однако на сегодняшний день их возможности продемонстрированы очень слабо из-за уязвимости к ошибкам при вычислениях и ограничений по размеру существующих квантовых систем.

Кубиты чрезвычайно хрупки и трудно стабилизируемы. Любой внешний "шум" может привести к тому, что они разрушатся и потеряют свою квантовую природу, запустив процесс декогеренции. Когда декогеренция происходит до окончания выполнения задачи (алгоритма), результат оказывается нечитаемым, поскольку информация, хранящаяся в кубите, теряется. В некотором смысле декогеренция влияет на состояние суперпозиции кубита и тем самым нарушает его способность обрабатывать информацию.

Таким образом, декогеренция приводит к ошибкам (известным как "переворачивание битов") в квантовых вычислительных системах. В то время как классический компьютер очень надежен при вычислениях, лучшие квантовые версии будут допускать одну ошибку из каждых 1000 операций. Более того, сложность поддержания когерентности возрастает по мере увеличения количества кубитов, так что самые продвинутые квантовые процессоры с трудом могут превысить 100 кубитов. Для устройства, пригодного для практического использования, потребуется несколько тысяч кубитов.

Чтобы преодолеть эту проблему, около 10 лет назад физики предложили новый вид кубитов, известный как "кошачий кубит". Вдохновленный знаменитым "экспериментом с котом Шредингера", этот тип кубитов был бы способен автономно исправлять свои ошибки, вызывая квантовую суперпозицию, подобную состоянию знаменитого кота в коробке (считается, что кот потенциально может быть и мертвым, и живым, пока его коробка не открыта).

Однако экспериментальная демонстрация этой (самокорректирующейся) способности представляет собой серьезную проблему. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда из Высшей нормальной школы (Франция) и французской компании Alice & Bob, специализирующейся на квантовых вычислениях, описывает первый кошачий кубит, способный противостоять ошибкам более 10 секунд - в 10 000 раз дольше, чем в предыдущих экспериментах.

Стойкость к ошибкам в 10 000 раз выше

Для создания кошачьего кубита исследователи использовали сверхпроводящий резонатор (или осциллятор). Это микросхема, пересеченная крошечными сверхпроводящими цепями и имеющая в центре отверстие для улавливания света. Попадая в отверстие, свет может колебаться двумя разными способами. Вместо того чтобы заставить его колебаться в одном направлении, специалисты позволили ему двигаться одновременно в обоих направлениях, создав состояние квантовой суперпозиции, подобное тому, что наблюдается в мысленном эксперименте "Кот Шредингера" - отсюда и название.

Однако в течение нескольких лет, несмотря на успешное создание кошачьего кубита, исследователи по-прежнему фиксировали перевороты битов каждые несколько миллисекунд. Недавно они поняли, что проблема заключалась в способе измерения состояния полученного кубита. Пересмотрев свой протокол, они смогли запустить кошачий кубит без переключений в течение 10 секунд.

Этот первый функциональный кошачий кубит может проложить путь к созданию надежных и полезных квантовых компьютеров. Такие компьютеры смогут выделять больше кошачьих кубитов для вычислений, а не резервировать их исключительно для исправления ошибок. По мнению экспертов, участвующих в исследовании, этот новый тип кубитов может сократить количество кубитов, необходимых для исправления ошибок, в 10 раз по сравнению с нынешними устройствами, использующими сверхпроводящие цепи.

Однако важно отметить, что переворачивание битов — не единственный тип ошибок, которые должны исправлять кошачьи кубиты. На самом деле, их устойчивость к переворотам может сделать их более уязвимыми для других типов ошибок. Несмотря на то что производительность, достигнутая исследователями в этом исследовании, представляет собой значительный прогресс, предстоит решить множество проблем, прежде чем можно будет говорить о каком-либо реальном применении.