Кота Шредингера научили исправлять ошибки квантовых компьютеров
Физики Йельского университета (Yale University) разработали «исправляющую ошибки квантовую кошку» - новое устройство, которое сочетает в себе концепцию суперпозиции кота Шредингера (физическая система, существующая в двух состояниях одновременно) с возможностью исправлять сложные ошибки в квантовых вычислениях. Работа была опубликована в журнале Nature.
В Йеле назвали исследования прорывом, позволяющим серьезно усовершенствовать квантовые компьютеры, повысив их точность.
Квантовые компьютеры при промышленной эксплуатации способны радикально трансформировать множество отраслей, от фармацевтики до финансовых услуг, позволяя проводить вычисления на несколько порядков быстрее, чем любые современные суперкомпьютеры. Йельский университет считается одним из лидеров в области квантовой физики, более 20 лет занимаясь исследованиями в данной сфере, в том числе – проблемами ошибок и точности вычислений.
В традиционном компьютере информация кодируется как 0 или 1. Ошибки, возникающие во время вычислений, - это «перевороты битов», когда закодированный в виде нуля бит случайно переключается на единицу или наоборот. Это исправляется за счет избыточности: используется три «физических» бита информации для обеспечения одного «эффективного», точного бита.
Квантовые информационные биты - кубиты - подвержены как переворотам самих битов, так и «переворотам фазы», при которых кубит случайным образом переключается между квантовыми суперпозициями (когда два противоположных состояния существуют одновременно). До сих пор разработчики квантовых компьютеров пытались исправлять такого рода ошибки традиционным способом, то есть, добавляя все большую избыточность. Она, в свою очередь требует все большого количества физических кубитов для подтверждения истинности каждого эффективного кубита.
В Йеле попытались пойти другим путем – применив принцип Шредингеровского кота. Этот способ описания квантовой суперпозиции заключается в том, что кошку помещают в герметичный ящик с радиоактивным источником и ядом, который сработает, если атом радиоактивного вещества распадется. До тех пор, пока кто-то не откроет ящик, кот, согласно принципу квантовой суперпозиции, остается одновременно и живым, и мертвым. Открытие коробки приводит к тому, что кот меняет свое квантовое состояние на обычное, оказываясь либо на том свете, либо на этом.
Ученые Йеля попытались применить аналогичный подход - использовать умный способ кодирования информации в одной физической системе, чтобы напрямую подавлять один тип ошибок. В отличие от предотвращения ошибок за счет применения множества физических кубитов, используемых для верификации одного эффективного кубита, один «кошачий кубит» может сам по себе предотвращать смещение фазы. Он кодирует эффективный кубит в суперпозицию двух состояний в одной электронной схеме - в данном случае это сверхпроводящий микроволновый резонатор, колебания которого соответствуют двум состояниям «кошачьего кубита».
Самое важное, что исследователям удалось достичь теоретически прогнозируемых результатов достаточно простым способом - подавая сигналы микроволнового диапазона на устройство, которое не намного сложнее, чем обычный сверхпроводящий кубит. Специалисты Йеля заявили, что созданный ими «кошачий кубит» можно перевести из любого состояния суперпозиции в любое другое по команде. Кроме того, был разработан новый способ считывания информации, закодированной в кубите.
«Это делает систему, которую мы разработали, универсальным новым элементом, который, мы надеемся, найдет свое применение во многих аспектах квантовых вычислений со сверхпроводящими цепями», - сказал профессор Йельского университета Майкл Деворет (Michel Devoret).
Стоит отметить, что исследование финансировалось не кем-нибудь, а Министерством обороны США, Исследовательским управлением армии США и Национальным научным фондом.