Создан отказоустойчивый квантовый компьютер

Исследователи сосредоточились на квантовых компьютерах, в которых используются нейтральные атомы (атомы с одинаковым количеством протонов и электронов). Эти отдельные атомы являются кубитами, или базовыми элементами памяти квантового компьютера. Они удерживаются на месте с помощью лазерных лучей, называемых оптическим пинцетом, но эта система не является надёжной.

Время от времени кубит выскальзывает из своей ловушки и исчезает. Когда это происходит во время вычислений, весь процесс может застопориться, потому что компьютер не может работать с отсутствующей деталью.

В статье, опубликованной в журнале Physical Review X, исследователи подробно описывают, как они решили эту проблему, перестроив кубиты внутри машины. Вместо того чтобы собрать все атомы в одну тесную группу, команда организовала их в пять отдельных зон. Это означает, что если атом потеряется в одной части компьютера, это не повлияет на другие кубиты.

Специализированные зоны — это «Регистр» для хранения кубитов, «Зона взаимодействия» для выполнения вычислений и «Зона измерения» для проверки ошибок с помощью вспомогательных кубитов, известных как «анцилла». Также есть «Зона хранения» — резервуар с запасными атомами для замены потерянных, и «Зона загрузки» для доставки новых атомов извне для пополнения резервуара.

Но решение ещё более сложное. Этот квантовый компьютер на основе нейтральных атомов может обнаружить поломку и устранить её на лету. Когда система замечает, что отсутствует один из кубитов, она обращается к зоне хранения и перемещает на его место новый кубит.

Как только этот кубит оказывается на нужном месте, компьютер подготавливает его к работе, возвращая в основное состояние (состояние с наименьшей энергией). Компьютер также может перезапустить вспомогательные кубиты после того, как они выполнят свои задачи, вернув их в исходное состояние таким же образом.

Чтобы продемонстрировать, что их решение работает, авторы исследования заставили компьютер выполнить код повторения — процесс, в ходе которого он проверяет свою работу на наличие ошибок. Они выполнили эти проверки 41 раз подряд, и каждый раз машина успешно заменяла потерянные кубиты, не нарушая обрабатываемые данные. Без этой способности к самовосстановлению в системе через несколько циклов закончились бы кубиты.

«Мы продемонстрировали возможность повторной инициализации и повторного использования вспомогательных кубитов после измерения в середине схемы в квантовом процессоре на нейтральных атомах… что позволяет бесконечно выполнять квантовые схемы на платформе, где срок службы кубитов ограничен», — написала исследовательская группа в своей статье.