Впервые создан квантовый прибор, который обнаруживает и исправляет собственные ошибки

Источник: Калифорнийский университет, Санта-Барбара (UCB)

Когда ученые смогут разработать полностью квантовый компьютер, в мире вычислительной техники произойдет революция, которая позволит достичь технического совершенства, высоких скоростей и энергоэффективности. Вот тогда наши современные компьютеры будут казаться допотопными драндулетами. Но прежде чем это произойдет, ученые, работающие в области квантовой физики, так же как и те, кто трудится в лаборатории физики профессора Джона Мартиниса (John Martinis) Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, должны будут создать схемы для вычислительных машин, которые реализуют преимущества, связанные с использованием квантовых битов (кубитов), и в которых компенсируется восприимчивость кубитов к внешним воздействиям, приводящая к появлению ошибок.

Преодолев то, что именуется главным рубежом, исследователи лаборатории Мартиниса разработали квантовую схему, которая сама обнаруживает ошибки внутри себя и устраняет их, стабилизируя состояние кубитов, что обеспечивает высокую степень контролируемой надежности и должно стать основанием для создания больших сверхпроводящих квантовых компьютеров.

Эта схема позволяет избегать ошибочных состояний кубита, то есть сделать его достаточно стабильным для того, чтобы воспроизводить тот же самый результат раз за разом, что является одним из основных препятствий, стоящих перед исследователями, создающими квантовую вычислительную технику.

В отличие от классической вычислительной техники, в которой биты существуют в одном из двух бинарных состояний («да/нет» или «верно/ошибка»), кубиты могут находиться в любом и во всех состояниях одновременно, в разных измерениях. Это свойство кубитов, которое называется «суперпозиционирование», обеспечивает квантовые компьютеры феноменальной вычислительной мощностью.Однако такое свойство кубитов делает их склонными к произвольному переходу в различные состояния, особенно в нестабильной окружающей среде, что чрезвычайно усложняет работу с кубитами.

Процесс исключения ошибок связан с созданием схемы, в которой несколько кубитов работают совместно, предотвращая потерю информации. Для того чтобы реализовать этот принцип, информацию сохраняют в нескольких кубитах.

В соответствии с своей идеей ученые построили систему из девяти кубитов, способную выявлять ошибки. Кубиты здесь отвечают за сохранение информации, которая хранится в соседних кубитах. Они образуют систему, которая циклически осуществляет обнаружение ошибок и способна защищать определенную информацию, продолжая сохранять ее значительно более продолжительное время, чем может отдельный кубит.

Как говорят ученые, это первый случай, когда создан квантовый прибор, обладающий способностью исправлять собственные ошибки. Для производства сложных вычислений, как представляют себе некоторые исследователи, будет использоваться реальный квантовый компьютер, оперирующий примерно сотней миллионов кубитов. Но прежде необходимо создать надежные системы самоконтроля и предотвращения возникновения ошибок.

Ключом к решению проблемы обнаружения квантовых ошибок и созданию системы коррекции является схема, названная «поверхностный кодер» (surface code). В ней используется информация о четности — измеряются изменения в исходных данных (если таковые имеются) в сравнении с дубликатом исходной информации, и эта процедура является частью процесса обнаружения ошибок в классической вычислительной технике. Таким образом реальная исходная информация, которая должна быть защищена в кубитах, сохраняется.

Каждый акт измерения фиксирует кубит в одном состоянии, и тогда кубит теряет свою мощь многопозиционности. Следовательно, отчасти, как в загадке-судоку, значения четности кубитов данных в массиве кубитов принимаются соседними измеряемыми кубитами, которые по существу оценивают информацию в кубитах данных посредством измерений.

Эта разработка представляет собой сочетание лучших научных результатов физического и теоретического характера в квантовой вычислительной технике — самые последние достижения в стабилизации кубитов и разработке алгоритмов в области создания квантовых логических устройств для квантовой вычислительной техники.

Группа Мартиниса усиленно продолжает исследования для того, чтобы разработать совершенный метод. Было доказано, что эта уникальная система коррекции квантовых ошибок защищает от ошибочного перехода битов из одного состояния в другое (“bit-flip” error), однако исследователи уделяют внимание коррекции еще одного типа ошибок — ложным фазовым переходам (“phase-flip”) и управлению коррекцией циклов за более продолжительные периоды времени с целью определить, какие ситуации могут возникнуть.