Коты улучшают квантовые вычисления своими кубитами — как это работает

Ученые нашли эффективное решение проблемы квантовых вычислений.

Для преодоления проблем в квантовых вычислениях, вызванных шумом и помехами, ученые из Центра квантовых вычислений (AWS) Калифорнийского технологического института предлагают использовать новый чип Ocelot,который использует «кошачьи кубиты». Это особый тип кубитов, обещающий существенно снизить количество ошибок во время квантовых вычислений.

Традиционным квантовым системам необходимы тысячи дополнительных кубитов для исправления ошибок, однако использование «кошачьих кубитов» может сократить их количество на 90%. Квантовые компьютеры, которые работают по принципам квантовой механики, обещают революционные прорывы в сферах медицины, материаловедения, криптографии и фундаментальной физики.

Несмотря на значительный потенциал в специализированных исследованиях в области физики, квантовые компьютеры остаются очень уязвимыми перед ошибками и слишком чувствительными к внешним помехам. Они очень чувствительны к вибрациям, тепловому воздействию, электромагнитным помехам и даже излучению из космоса.

Исследователи из AWS продемонстрировали новую архитектуру квантового чипа для преодоления помех с использованием особых кубитов, известных как «кошачий кубит». Этот вид кубитов впервые был предложен еще в 2001 году и с тех пор был существенно усовершенствован.

Ученые смогли собрать первый масштабируемый чип из «кошачьих кубитов» и дали ему название Ocelot в честь пятнистой дикой кошки. Кроме этого название служит отсылкой к технологии внутреннего «осциллятора»система, которая совершает колебания, то есть показатели которой периодически повторяются во времени., который является основой кошачьих кубитов.

Подобно классическим компьютерам, квантовые — также используют бинарный код из единиц и нулей, при этом сохраняя эти значения в состоянии суперпозиции. Это позволяет им сохранять все комбинации из этих цифр одновременно. Однако при этом квантовые компьютеры остаются очень уязвимыми и легко могут потерять это состояние суперпозиции.

В классических компьютерах используются дополнительные избыточные биты для защиты данных от ошибок. Например, один бит информации копирует ее на три бита, так что у любого бита есть два резервных партнера. Если один из этих битов имеет ошибку (обращается с 1 на 0 или с 0 на 1), а два других не обратились, простой код — в данном случае так называемый трехбитный код повторения — может быть использован для обнаружения ошибки и восстановления нечетного бита.

В связи со сложностью поддержания состояния суперпозиции кубитами, они могут иметь два типа ошибок: обращение битов, как в классических цифровых системах, и обращение фаз, при которых состояния кубита 1 и 0 находятся не в фазе (или не синхронизированы) друг с другом.

Исследователи разработали большое количество стратегий для обработки этих двух типов ошибок в квантовых системах. Однако эти методы требуют большого количества дополнительных резервных кубитов. На самом деле, современные квантовые компьютеры могут потребовать тысячи дополнительных кубитов для обеспечения желаемого уровня защиты от ошибок.

Как «кошачьи кубиты» должны сократить количество ошибок во время квантовых вычислений

Новая стратегия базируется на типе кубита, сформированного из сверхпроводящих цепей. Эти цепи созданы из микроволновых осцилляторов, в которых состояния 1 и 0, представляющие кубит, определяются как две различные крупномасштабные амплитуды колебаний. Благодаря этому кубиты находятся в очень стабильном состоянии и становятся неуязвимыми к ошибкам с обращением битов.

На самом деле, название «кошачьи кубиты» относится к способности этих кубитов принимать два очень больших, или макроскопических состояния одновременно — так же, как знаменитый кот в воображаемом эксперименте Эрвина Шредингера, который может быть одновременно и мертвым, и живым. Единственными ошибками, которые осталось исправить, являются ошибки инвертирования фазы. И исправление только одного типа ошибок означает, что исследователи могут использовать код повторения, подобный тем, которые используются для исправления ошибок инвертирования битов в классических системах.

В чипе Ocelot сочетаются пять «кошачьих кубитов» и специальные буферные схемы для стабилизации их колебаний, а также четыре вспомогательных кубита для обнаружения фазовых ошибок.

Простой код повторения команды эффективен в обнаружении ошибок вращения фазы и улучшается за счет увеличения кода с трех «кошачьих кубитов» до пяти. Кроме того, процесс обнаружения фазовых ошибок был реализован таким образом, чтобы поддерживать высокий уровень подавления ошибок вращения битов в «кошачьих кубитах»

Исследование опубликовано в журнале Nature

Источник: Scitechdaily