Самокорректирующиеся квантовые компьютеры уже в пределах досягаемости?

Квантовые компьютеры обещают достичь скорости и эффективности, недоступных даже самым быстрым суперкомпьютерам сегодняшнего дня.

Тем не менее, эта технология не получила широкого распространения и коммерциализации, во многом из-за ее неспособности к самокоррекции. Квантовые компьютеры, в отличие от классических, не могут исправлять ошибки путем многократного копирования закодированных данных. Ученым пришлось искать другой путь.

Теперь новая статья в журнале Nature иллюстрирует потенциал гарвардской платформы квантовых вычислений для решения давней проблемы, известной как квантовая коррекция ошибок.

Гарвардскую команду возглавляет эксперт по квантовой оптике Михаил Лукин, профессор физики Университета Джошуа, и Бет Фридман, содиректор Гарвардской квантовой инициативы. Также в этом участвовала группа Маркуса Грейнера, профессора физики Джорджа Фасмера Леверетта.

Гарвардская платформа, созданная в течение последних нескольких лет, построена на массиве очень холодных атомов рубидия, захваченных лазером. Каждый атом действует как бит — или «кубит», как его называют в квантовом мире — который может выполнять чрезвычайно быстрые вычисления.

Главным нововведением команды является настройка их «массива нейтральных атомов» таким образом, чтобы иметь возможность динамически изменять его расположение путем перемещения и соединения атомов (на языке физики это называется «запутыванием») в середине вычислений. Операции, которые запутывают пары атомов, называемые двухкубитными логическими вентилями, являются единицами вычислительной мощности.

Для запуска сложного алгоритма на квантовом компьютере требуется множество вентилей. Однако эти операции с воротами, как известно, подвержены ошибкам, и накопление ошибок делает алгоритм бесполезным.

В новой статье команда сообщает о почти безупречной работе своих двухкубитных вентилей запутанности с чрезвычайно низким уровнем ошибок. Впервые они продемонстрировали способность запутывать атомы с уровнем ошибок менее 0,5 процента. С точки зрения качества работы это ставит производительность их технологии в один ряд с другими ведущими типами платформ квантовых вычислений, такими как сверхпроводящие кубиты и кубиты с захваченными ионами.

Однако подход Гарварда имеет серьезные преимущества перед этими конкурентами благодаря большим размерам системы, эффективному управлению кубитами и способности динамически реконфигурировать расположение атомов.

«Мы установили, что эта платформа имеет достаточно низкие физические ошибки, поэтому вы можете представить себе крупномасштабные устройства с исправлением ошибок на основе нейтральных атомов», — сказал первый автор Саймон Эверед, студент Гарвардской школы искусств и наук имени Гриффина. «Наша частота ошибок сейчас настолько низка, что если бы мы группировали атомы вместе в логические кубиты, где информация хранится нелокально среди составляющих атомов, эти логические кубиты с квантовой коррекцией ошибок могли бы иметь даже меньшие ошибки, чем отдельные атомы».

О достижениях гарвардской команды сообщается в том же выпуске журнала Nature, что и о других инновациях, возглавляемых бывшим аспирантом Гарварда Джеффом Томпсоном, сейчас работающим в Принстонском университете, и бывшим научным сотрудником Гарварда Мануэлем Эндресом, ныне работающим в Калифорнийском технологическом институте. В совокупности эти достижения закладывают основу для квантовых алгоритмов с коррекцией ошибок и крупномасштабных квантовых вычислений. Все это означает, что квантовые вычисления на массивах нейтральных атомов демонстрируют всю широту своих перспектив.

«Эти вклады открывают двери для особых возможностей в области масштабируемых квантовых вычислений и наступают поистине захватывающие времена для всей этой области», — сказал Лукин.

ScienceDaily