Кот Шреденгера для компьютеров: ученые совершили ряд прорывов в области квантовых вычислений

18 августа 2020 | 16:12

Физики Йельского университета 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.

Компьютеры c «котами Шредингера» внутри

Ученые Школы молекулярной инженерии имени Притцкера при Чикагском университете (США) нашли способ в 10 тысяч раз продлить время существования квантовых состояний, необходимых для работоспособного квантового компьютера. По мнению физиков, исследование совершит революцию в области квантовых вычислений и коммуникаций, сообщается в пресс-релизе на Phys.org.

С помощью нового подхода специалистам удалось поддерживать систему электронных спинов в когерентном состоянии до рекордных 22 миллисекунд. Это на четыре порядка выше, чем без модификации, и намного дольше, чем у любой другой ранее описанной системы электронных спинов. По словам ученых, это позволит увеличить время хранения информации внутри системы из кубитов, совершать более сложные операции в квантовых компьютерах и передавать информацию на большое расстояние в сетях.

Декогеренция представляет собой нежелательное явление, препятствующее физической реализации кубитов (квантовых битов). В квантовых технологиях кубиты могут быть основаны на спине электронов, который может быть ориентирован «вверх» или «вниз». Важную роль для квантовых вычислений играет когерентная суперпозиция, когда кубит находится в состоянии «вверх» и «вниз» одновременно, что делает его похожим на кота Шредингера в знаменитом мысленном эксперименте. Это позволяет кубиту содержать больше информации, чем может вмещать классический бит, способный принимать лишь одно из состояний — «0» или «1».

Для создания твердотельных кубитов используются кристаллы карбида кремния и алмазы. Состоянием электронов управляют с помощью внешних электромагнитных полей, однако именно в них возникает «шум», способствующей декогеренции и разрушению кубита. Кристалл может содержать парамагнитные примеси и изотопы с ненулевым ядерным спином, порождающие флуктуации во внешнем электромагнитном поле, которые, в свою очередь, серьезно ограничивают время существования когеренции до микросекунд. Для существования работоспособной квантовой системы, которая может хранить информацию и позволяет манипулировать ею, кубит должен находиться в когерентной суперпозиции хотя бы несколько десятков миллисекунд.

Для борьбы с декогеренцией ученые пытаются изолировать квантовую систему от шума или создать чистые кристаллы, однако эти методы сложные и дорогостоящие. В новой работе исследователи вместе с обычными электромагнитными импульсами применили источник непрерывного переменного магнитного поля. С помощью микроволн удалось добиться быстрых спиновых переходов, устойчивых к внешним возмущениям.

Ученые полагают, что их метод применим и в других типах квантовых систем, таких как сверхпроводящие квантовые биты и молекулярные квантовые системы.

Ранее сообщалось, что ученые нашли способ вычислить точные траектории лучей света в трехмерном пространстве. Сверхбыстрые камеры фиксировали распространение света и раньше, однако новая технология добавляет на запись перспективу, которую восстанавливает компьютерный алгоритм, а также строит трехмерную модель.