Представьте себе круги на воде от капель дождя: они расходятся, накладываются друг на друга, где-то усиливаются, а где-то подавляются. Аналогичным образом функционирует квантовый компьютер.
В отличие от обычных компьютеров, которые работают с нулями и единицами, квантовые системы применяют состояния, одновременно являющиеся и нулем, и единицей. Эти состояния ведут себя как волны: в процессе вычислений варианты, которые приводят к верному ответу, усиливаются, а ошибочные — подавляются. Это позволяет квантовому компьютеру обрабатывать множество вариантов решений одновременно, тогда как классические устройства делают это последовательно.
Тем не менее, у этих многообещающих технологий есть серьезное ограничение. Квантовые состояния крайне уязвимы: малейшие изменения температуры, электромагнитные помехи от соседнего оборудования или даже незначительные вибрации могут нарушить вычислительный процесс. Таким образом, технология квантовой коррекции ошибок, способная обнаруживать и исправлять сбои, становится критически важной для функционирования квантового компьютера.
На протяжении многих лет ученые разработали разнообразные методы коррекции, но все они сталкивались с потолком точности, который не позволял приблизиться к теоретическому пределу — границе хеширования. Из-за этого достичь необходимой для широкомасштабных квантовых вычислений высокой точности не представлялось возможным.
Группа исследователей из Токийского института науки под руководством доцента Кенты Касаи выявила, что в классических схемах квантовых компьютеров существует встроенный недостаток: в процессе вычислений информация сама по себе может инициировать ошибки, и часть из них неизбежно сохраняется даже в идеальных условиях. Ученые предложили новый механизм, который устраняет этот источник сбоев, и тем самым разработали метод коррекции ошибок, приближающийся к теоретическому пределу точности.
Одним из главных достоинств нового подхода является скорость. Традиционные методы требуют сложных вычислений для исправления ошибок, что делает их непрактичными при масштабировании системы. Новый метод функционирует иначе: даже при значительном увеличении числа компонентов, время на коррекцию практически не увеличивается. Сочетание высочайшей точности и высокой вычислительной эффективности устраняет одно из главных препятствий на пути к практическому применению квантовых компьютеров.
«Работая над кодами коррекции ошибок, я часто замечаю детали, которые ведут себя не совсем так, как ожидалось, — делится Кента Касаи. — Прогресс в исследованиях редко достигается крупными прорывами. Чаще он вырастает из внимательного наблюдения, терпения и готовности пересматривать даже общепринятые предположения».
