Квантовые компьютеры обещают преобразовать вычислительные технологии, однако у них существует значительная проблема: они крайне восприимчивы к внешним воздействиям. Любое влияние окружающей среды может привести к ошибкам, способным разрушить работу этого сложного устройства.
Квантовые компьютеры обрабатывают данные, используя эффект запутанности — специфической связи между частицами, при которой изменение состояния одной частицы немедленно влияет на остальные, независимо от расстояния между ними. Тем не менее, эта же «суперсила» делает квантовые системы весьма уязвимыми. Для того чтобы вывести квантовые компьютеры из лабораторий и интегрировать их в повседневную жизнь, необходимо сначала сделать их устойчивыми к ошибкам и внешним помехам.
В своем исследовании группа физиков под руководством профессора Юй Хэ применяла ядерные спины атомов фосфора, внедренных в кремниевый кластер, в качестве носителей квантовой информации. Этот миниатюрный атомный чип, состоящий из четырех запутанных ядерных спиновых кубитов и одного электронного спинового кубита, функционирует как полноценный квантовый процессор.
«Нас вдохновляет сама идея квантовых вычислений, — говорит профессор Юй Хэ. — Чтобы квантовые компьютеры стали по-настоящему полезными, они должны достичь уровня отказоустойчивости, а это подразумевает необходимость выявить и решить возникающие проблемы».
Для выявления ошибок ученые использовали метод стабилизаторных измерений. Стабилизаторы — это математические правила, задающие свойства, которыми должно обладать корректное квантовое состояние. Если измерения стабилизаторов отличаются от ожидаемых значений, это свидетельствует о наличии ошибки. Для реализации данной схемы исследователи создали квантовую цепь с минимально необходимым числом элементов: в ней два кубита несут информацию, а два других служат для контроля и выявления ошибок.
Ключевым достижением китайских ученых стало то, что предложенный ими подход позволяет выявлять ошибки, не вызывая декогеренции — утраты квантовой запутанности, а с ней — и информации, содержащейся в частицах. Более того, ученые обнаружили уникальный тип шума в системе, который можно использовать для упрощения дальнейшей коррекции ошибок.
«Мы показали, что кремниевая спиновая система может осуществлять квантовое обнаружение ошибок с использованием стабилизаторов, закладывая важный фундамент для отказоустойчивых квантовых вычислений», — отмечает профессор Хэ.
Следующая задача ученых — создать минимальный логический квантовый процессор, способный выполнять простейшие логические алгоритмы. Это станет значительным шагом к интеграции квантовых компьютеров в обычную жизнь.
Фото: hi-tech.mail.ru