До сих пор развитие квантовых компьютеров сдерживалось их чрезвычайной чувствительностью к ошибкам и внешним воздействиям. Чем дольше выполняется квантовая операция, тем выше риск возникновения вычислительных ошибок. Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали метод, который позволяет выполнять широкий спектр сложных квантовых операций более чем в тысячу раз быстрее. Это открытие устраняет хорошо известное узкое место в данной области и открывает путь к созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров.
Ожидается, что квантовые компьютеры совершат прорыв в самых разных областях — от разработки лекарств и энергетических систем до криптографии, искусственного интеллекта и логистики. Однако прежде чем этот потенциал будет реализован, квантовые компьютеры должны стать гораздо более надежными, чем сейчас.
Одна из самых больших проблем — вычислительные ошибки, возникающие при обработке информации квантовыми компьютерами. Эти ошибки могут быть вызваны даже малейшими воздействиями окружающей среды, такими как электрический шум, космическое излучение или перегрев. Обычные компьютеры тоже подвержены таким ошибкам, но хорошо зарекомендовавшие себя методы их исправления позволяют быстро их обнаруживать и устранять. Однако для квантовых компьютеров задача гораздо сложнее.
В поисках более устойчивых и отказоустойчивых квантовых вычислений исследователи изучают новые способы защиты хрупкой квантовой информации. Один из многообещающих подходов предполагает использование так называемых бозонных квантовых кодов.
Квантовые операции на основе бозонных квантовых кодов, как известно, сложны в реализации и управлении ими. Предыдущие подходы, при которых такие квантовые состояния создавались по частям, требовали, чтобы квантовые системы проходили через тысячи повторяющихся циклов управления. Это длительный процесс, который повышает вероятность возникновения ошибок. Чем дольше длится процесс, тем выше риск того, что вычисления будут нарушены из-за помех.
В основе нового подхода исследователей лежат так называемые квантовые решетчатые вентили — новый универсальный набор квантовых вентилей, который был впервые предложен той же исследовательской группой. Эти вентили, работающие по принципу команд быстрого доступа, позволяют выполнить нужную операцию за один цикл управления, что делает процесс более простым и менее подверженным ошибкам.
Этот метод особенно хорошо подходит для сверхпроводящих квантовых компьютеров — одной из ведущих платформ в глобальной гонке за создание крупномасштабных квантовых компьютеров. Эта же технология используется в Технологическом университете Чалмерса, где в настоящее время разрабатывается квантовый компьютер на 100 кубитов.
Бозонные квантовые коды хранят квантовую информацию в состояниях, например, микроволновых или оптических резонаторов, а не в отдельных кубитах. Они считаются перспективным инструментом для квантовой коррекции ошибок, поскольку могут обеспечивать встроенную защиту от определенных типов ошибок.
Для обработки этой информации требуются квантовые операции. Квантовые решетчатые вентили — это недавно предложенный набор элементарных строительных блоков для управления бозонными квантовыми состояниями. С помощью этих вентилей можно реализовать широкий спектр более сложных квантовых операций.
Один из способов реализации таких операций — управление по методу Флоке, при котором квантовая система управляется периодическими сигналами. Предыдущие методы, основанные на методе Флоке, часто требовали медленных процессов, занимавших много циклов управления. Новый метод, разработанный в Чалмерсе, позволяет реализовать квантовые решетчатые вентили непосредственно за один цикл управления, благодаря чему некоторые операции выполняются более чем в тысячу раз быстрее.
Статья “Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates” опубликована в Physical Review Letters.