Новая архитектура кубита может ускорить создание практических квантовых компьютеров
Исследователи Массачусетского технологического института разработали новую архитектуру сверхпроводящего кубита, которая должна одновременно повысить скорость квантовых операций и увеличить время сохранения квантовой информации. В отличие от обычных конструкций, новый кубит состоит из двух связанных компонентов: один отвечает за хранение данных, а второй — за взаимодействие с другими элементами квантовой схемы.
Кубиты чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям и постепенно теряют своё квантовое состояние — этот процесс называется декогеренцией. Возникающие при этом ошибки быстро накапливаются, поэтому выполнение длинных алгоритмов становится невозможным без квантовой коррекции ошибок.
Чтобы решить эту проблему, команда MIT фактически объединила преимущества двух разных типов кубитов. Первый компонент новой системы, называемый режимом данных, предназначен для длительного хранения квантовой информации и основан на архитектуре с большим временем когерентности.
Второй компонент предназначен для сильного взаимодействия с другими элементами системы. Исследователи сравнивают его с «рукой», которая протягивается к остальной квантовой схеме, поэтому всю архитектуру назвали arm qubit — «кубит с рукой».
«Он спроектирован для выполнения двух задач одновременно благодаря режиму данных и режиму "руки", и обе эти возможности особенно важны для квантовой коррекции ошибок», — объяснил один из авторов работы Алек Йен.
«Рука» позволяет кубиту взаимодействовать, в частности, с резонатором — элементом, который используется для считывания результатов квантовых вычислений. При считывании состояние квантовой системы измеряется и преобразуется в классическую информацию.
Главной технической особенностью архитектуры стал разработанный исследователями ранее специальный элемент связи — quarton coupler, или квартонный соединитель. Он связывает режим хранения данных с режимом взаимодействия.
Обычное соединение нескольких квантовых компонентов способно приводить к нежелательным взаимодействиям, причём проблема становится серьёзнее по мере увеличения количества кубитов. Новая конструкция использует сильную нелинейную связь, при которой изменение состояния одного элемента определённым образом влияет на другой.
Квартонный соединитель обеспечивает сильную нелинейную связь между двумя режимами и одновременно уменьшает нежелательное смешивание их состояний. Благодаря этому квантовые операции потенциально можно выполнять быстрее — до того, как декогеренция успеет разрушить хранящуюся информацию.
«Выделив отдельный компонент для взаимодействия с другими элементами квантовой схемы, мы смогли создать масштабируемую конструкцию, устойчивую к производственным погрешностям и обеспечивающую сильную нелинейную связь между компонентами», — рассказал ведущий автор исследования Джереми Клайн.
Пока новый кубит существует только в виде разработанной и смоделированной архитектуры. Компьютерное моделирование показало, что он способен превзойти другие конструкции сверхпроводящих кубитов, сочетая большое время когерентности с быстрым выполнением операций и считыванием состояния.
Такое сочетание особенно важно для квантовой коррекции ошибок. Для создания отказоустойчивого квантового компьютера необходимо обнаруживать и исправлять ошибки непосредственно во время вычислений, прежде чем они накопятся и сделают результат бесполезным.
«Цель всей этой работы заключается в создании отказоустойчивого квантового компьютера, в котором ошибки можно исправлять по мере их возникновения, чтобы выполнять продолжительные вычисления и действительно решать полезные задачи», — объяснил руководитель исследования Кевин О’Брайен.
По расчётам авторов, высокая скорость операций в сочетании с длительным временем когерентности может позволить выполнять больше вычислений до того, как состояние кубита разрушится. Это потенциально упрощает выполнение циклов коррекции ошибок — одного из основных условий создания крупномасштабных квантовых компьютеров.
Однако исследователи подчёркивают, что технология находится на раннем этапе разработки. Результаты пока основаны на моделировании, поэтому следующим шагом станет изготовление физического прототипа нового кубита.
После этого команда сможет проверить, насколько реальные характеристики устройства соответствуют расчётным, изучить возможные эффекты, которые не были учтены моделью, и попытаться интегрировать новую архитектуру в действующие квантовые системы.
«Наше моделирование выглядит очень многообещающе. Теперь нам необходимо проверить, сможем ли мы изготовить устройство и не упустили ли чего-нибудь при моделировании или проектировании. Если этот кубит удастся создать, он может стать одним из строительных блоков будущих квантовых компьютеров с коррекцией ошибок», — отметил О’Брайен.
Исследование в журнале Physical Review Applied.