Это рекордное достижение может привести к созданию практичных квантовых компьютеров промышленного масштаба, которые будут меньше и быстрее.
.
(Изображение предоставлено: koto_feja/Getty Images)
Учёные добились самого низкого уровня ошибок в квантовых вычислениях за всю историю — это важный шаг в решении фундаментальных проблем на пути к созданию квантовых компьютеров практического применения.
В исследовании, опубликованном 12 июня в журнале APS Physical Review Letters, учёные продемонстрировали уровень квантовых ошибок в 0,000015 %, что соответствует одной ошибке на 6,7 миллиона операций.
Это достижение почти на порядок превосходит предыдущий рекорд — примерно одна ошибка на 1 миллион операций — установленный той же командой в 2014 году.
Этот шум возникает из-за множества факторов, в том числе из-за несовершенства методов управления (по сути, из-за проблем с архитектурой и алгоритмами компьютера) и законов физики. Именно поэтому значительные усилия были направлены на квантовое исправление ошибок.
Хотя ошибки, связанные с законами природы, такие как декогеренция (естественное затухание квантового состояния) и утечка (выход состояния кубита за пределы вычислительного подпространства), можно уменьшить только в рамках этих законов, команда добилась прогресса, снизив почти до нуля уровень шума, создаваемого архитектурой компьютера и методами управления.
«Значительно снижая вероятность ошибки, эта работа существенно уменьшает потребность в инфраструктуре для исправления ошибок, открывая путь к созданию более компактных, быстрых и эффективных квантовых компьютеров будущего», — Молли Смит, аспирантка физического факультета Оксфордского университета и соавтор исследования, заявила в заявлении. «Точное управление кубитами также будет полезно для других квантовых технологий, таких как квантовые часы и квантовые датчики».
Рекордно низкий уровень ошибок в квантовых вычислениях
Квантовый компьютер, использовавшийся в эксперименте команды, был создан на основе специальной платформы, которая не использует более распространённую архитектуру, в которой используются фотоны в качестве кубитов — квантового эквивалента компьютерных битов — для кубитов, состоящих из «захваченных ионов».
Исследование также проводилось при комнатной температуре, что, по словам учёных, упрощает настройку, необходимую для интеграции этой технологии в работающий квантовый компьютер.
В то время как в большинстве квантовых систем используются сверхпроводящие цепи, основанные на «квантовых точках», или лазеры, которые часто называют «оптическим пинцетом», для удержания одного фотона в состоянии кубита, команда учёных использовала микроволны, чтобы зафиксировать несколько ионов кальция-43.
При таком подходе ионы переводятся в сверхтонкое состояние «атомных часов» Согласно исследованию, этот метод позволил учёным создать больше «квантовых вентилей», которые аналогичны количеству «квантовых операций», которые может выполнять компьютер, с большей точностью, чем при использовании фотонных методов.
После того как ионы были переведены в состояние сверхтонких атомных часов, исследователи откалибровали их с помощью автоматизированной процедуры контроля, которая регулярно корректировала амплитуду и частоту дрейфа, вызванного методом микроволнового управления.
Другими словами, исследователи разработали алгоритм для обнаружения и устранения шума, создаваемого микроволнами, которые используются для улавливания ионов. Устранив этот шум, команда смогла проводить квантовые операции в своей системе с минимально возможным уровнем ошибок.
С помощью этого метода теперь можно создавать квантовые компьютеры, способные выполнять операции с одним вентилем (то есть с одним кубитом, в отличие от вентилей, требующих нескольких кубитов) практически без ошибок при больших масштабах.
Это может привести к созданию более эффективных квантовых компьютеров в целом и, согласно исследованию, к достижению нового уровня в области ошибок однокубитных вентилей и устранению всех известных источников ошибок, что позволит объяснить большинство ошибок, возникающих при выполнении однокубитных операций.
Это значит, что инженерам, которые создают квантовые компьютеры с архитектурой на основе захваченных ионов, и разработчикам, которые создают для них алгоритмы, не придётся выделять столько кубитов исключительно для исправления ошибок.
По словам исследователей, за счёт уменьшения погрешности новый метод сокращает количество необходимых кубитов, а также стоимость и размер самого квантового компьютера.
Однако это не панацея для отрасли, поскольку для выполнения вычислений, выходящих за рамки базовых функций, многим квантовым алгоритмам требуются многовентильные кубиты, функционирующие параллельно или сформированные из одновентильных кубитов. Частота ошибок в двухвентильных функциях по-прежнему составляет примерно 1 к 2000.
Хотя это исследование представляет собой важный шаг на пути к практическому применению квантовых вычислений, оно не решает всех проблем, связанных с «шумом», которые присущи сложным многокубитным системам.