Квантовые компьютеры представляют собой мощные, хотя и в основном экспериментальные устройства, которые применяют принципы квантовой механики для решения сложных задач значительно быстрее, чем самые современные суперкомпьютеры.
Главной проблемой, мешающей широкому внедрению квантовых компьютеров, является то, что их базовые единицы информации — кубиты — крайне нестабильны. В отличие от привычных битов, которые могут принимать только значения 0 или 1, кубиты могут находиться в комбинации этих двух состояний одновременно. Это свойство делает их невероятно полезными, однако одновременно и очень уязвимыми к ошибкам.
Одна из наиболее распространенных ошибок называется утечкой. Она возникает, когда кубит неожиданно переходит на более высокий уровень энергии, выходя из рабочего состояния. Такой кубит не только исключается из расчетов, но и мешает соседним кубитам. Существующие методы коррекции квантовых ошибок не всегда способны справиться с утечками, а некоторые из них даже могут их усугублять. Альтернативный подход — смещение частоты кубита — требует использования дополнительного оборудования в квантовых компьютерах, что сложно масштабировать.
Группа ученых под руководством Цзянь-Вэй Паня из Научно-технического университета Китая предложила довольно простое и при этом эффективное решение: возвращать «убежавшие» кубиты на правильный энергетический уровень с помощью микроволновых импульсов. Метод был протестирован на специально разработанном процессоре Zuchongzhi 3.2 с массивом из 97 кубитов, который включал как рабочие кубиты, хранящие квантовую информацию, так и вспомогательные, помогающие обнаруживать и исправлять ошибки.
Исследователи намеренно вызывали утечку, переводя кубиты на более высокие энергетические уровни. Затем они применяли микроволновые импульсы, чтобы вернуть рабочие кубиты в вычислительное состояние без нарушения расчетов. Параллельно другой импульс сбрасывал вспомогательные кубиты, полностью устраняя ошибку. В целом такой подход оказался более чем в 70 раз эффективнее работы квантовой системы без подавления утечек.
Метод тестировался на малых и больших участках массива, и результаты показали: чем больше система, тем надежнее она функционирует. Иными словами, добавление кубитов снижало частоту ошибок. Это считается одной из главных задач в развитии квантовых вычислений, ведь ранее увеличение числа кубитов обычно лишь усугубляло существующие проблемы.
«Мы получили жизнеспособную архитектуру с полностью микроволновым управлением для подавления критических ошибок в масштабе», — утверждают авторы исследования. Это решение способно приблизить к реализации ключевую цель квантовых технологий — создание вычислительных машин, которые будут не просто демонстрировать эффектные эксперименты, но и стабильно выполнять сложнейшие вычисления в реальных условиях.
Фото: hi-tech.mail.ru
