На шаг ближе к безошибочным квантовым вычислениям

Хотя гонка за квантовыми вычислениями продолжается во всем мире, практическое применение этих компьютеров с их беспрецедентной вычислительной мощностью остается достаточно теоретическим. Одним из основных препятствий для их внедрения является сложность исправления ошибок в расчетах. Однако группа австрийских ученых только что опубликовала исследование, в котором утверждает, что нашла способ преодолеть это ключевое препятствие.

Это вопрос, по которому квантовые физики, похоже, согласны. Обнаружение и исправление вычислительных ошибок является необходимостью для практического использования квантовых компьютеров. Однако исправление этих ошибок - задача не из легких. Квантовые компьютеры работают по совершенно иному принципу, чем наши обычные компьютеры.

Квантовый компьютер позволяет производить вычисления на основе принципов квантовой физики. Вкратце, это наука, которая занимается изучением поведения материи и света на микроскопическом или атомном уровне. Изучая поведение материи на этом уровне, исследователи выявили определенные физические принципы, которые сильно отличаются от того, что было известно ранее.

В области квантовых компьютеров ключом к работе является так называемая "квантовая суперпозиция". В конкретных терминах это тот факт, что нечто (в данном случае на атомном уровне) может находиться "в двух состояниях одновременно", каким бы контринтуитивным это ни казалось. В случае классического компьютера вспомним, что основной единицей информации является "бит". Он может находиться в состоянии "0" или "1". В квантовом компьютере существует некий эквивалент, называемый "кубитом". Благодаря закону суперпозиции кубиты могут быть и 0, и 1, и даже находиться в наложенных друг на друга состояниях, таких как 01, 10, 11... Именно это может позволить им развернуть беспрецедентную вычислительную мощность.

Однако эта сила может быть и слабостью, когда речь идет об исправлении ошибок в расчетах. И эти знаменитые квантовые компьютеры совершают множество ошибок! "Квантовые компьютеры по своей сути гораздо более чувствительны к возмущениям и поэтому, вероятно, всегда будут нуждаться в механизмах коррекции ошибок, поскольку в противном случае ошибки будут бесконтрольно распространяться в системе и информация будет потеряна", — поясняется в пресс-релизе Инсбрукского университета, где работают исследователи, опубликовавшие свое открытие.

Избыточность - мера борьбы с ошибками в расчетах

Поскольку технологии значительно продвинулись вперед, а производство отличается высоким качеством, в обычных вычислениях больше нет большого количества вычислительных ошибок. Однако, если ошибка все же возникает, всегда есть контрмера для определенных критически важных приложений. Это избыточность обрабатываемых данных, которая обеспечивает определенную степень безопасности. Если говорить конкретно, то идея заключается в том, чтобы иметь несколько копий данных: тогда довольно легко обнаружить, была ли допущена ошибка, поскольку результаты вычислений будут расходиться.

Однако этот механизм теоретически неприменим в случае квантового компьютера. Согласно теореме о "невозможности клонирования", которая является одним из законов квантовой физики, квантовая информация не может быть "скопирована". Однако, как объясняют ученые, "избыточность может быть достигнута путем распределения логической квантовой информации в запутанном состоянии нескольких физических систем, например, нескольких отдельных атомов".

Следует помнить, что, то, что известно как "кубиты", в конкретном смысле является атомом. В квантовых вычислениях идея заключается в том, чтобы "организовать" эти кубиты различными способами так, чтобы они взаимодействовали друг с другом и переходили в те квантовые состояния, которые необходимы для работы компьютера. Для этого используются различные типы атомов и различные системы. Например, существуют "магнитные ловушки" для положительных ионов, или сверхпроводники... Что касается квантовой запутанности, то это "сцепление", например, между двумя кубитами, которое позволяет превратить их в единую систему. Это означает, что даже если их раздвинуть, можно узнать состояние одного кубита, измерив состояние другого. Это явление запутывания необходимо для выполнения квантового вычисления.

Таким образом, мы можем измерить прогресс, который может представить функциональная система вычисления кубитов, что, кроме того, позволит исправить ошибки. Команда физиков-экспериментаторов утверждает, что им впервые удалось реализовать универсальный набор вычислительных операций над отказоустойчивыми квантовыми битами. Другими словами, они продемонстрировали, что можно запрограммировать алгоритм на квантовом компьютере и гарантировать, что неожиданные ошибки не исказят конечный результат.

Кроме того, они реализовали это решение на "универсальных квантовых вентилях", которые могут оказаться еще более полезными. Чтобы лучше понять это, давайте сначала вспомним, что такое "логические вентили" в классических вычислениях. Логические вентили позволяют выполнять основные операции, которые могут быть произведены над битом (известная базовая единица, упомянутая ранее, обозначаемая 0 или 1). Это то, что позволяет вводить информацию для получения результата. Различные типы логических вентилей в конечном итоге позволяют программировать и давать инструкции компьютеру.

В квантовых вычислениях также существуют различные "логические вентили", но "универсальные вентили" - это те, которые позволят выполнить любой тип вычислений: "Для реального квантового компьютера нам нужен универсальный набор вентилей, с помощью которых мы сможем программировать все алгоритмы", — объясняет Лукас Постлер, физик-экспериментатор из Инсбрука. Говоря конкретнее, эти "вентили" были созданы с помощью 16 атомов, заключенных в атомные ловушки. Квантовая информация хранилась в двух логических квантовых битах, каждый из которых был распределен по семи атомам.

Исследователи реализовали операции над логическими кубитами таким образом, что ошибки, вызванные лежащими в их основе физическими операциями, также могут быть обнаружены и исправлены, благодаря этому знаменитому распределению квантовой информации. Таким образом, они добились "первой отказоустойчивой реализации универсального набора вентилей на закодированных логических квантовых битах".

По словам ученых, получившаяся система более сложная, но и более эффективная: "Реализация с отказоустойчивостью требует больше операций, чем реализация без отказоустойчивости. Это внесет больше ошибок в масштабе отдельных атомов, но экспериментальные операции на логических кубитах лучше, чем логические операции без отказоустойчивости", — говорит Томас Монц с кафедры экспериментальной физики Университета Инсбрука. "Усилия и сложность увеличиваются, но качество в результате становится лучше". Следующим шагом в этом квантовом приключении будет реализация этих методов на "более крупных и, следовательно, более полезных" квантовых компьютерах, говорят исследователи.