В обычных компьютерах исправление ошибок является хорошо развитой областью. Каждый мобильный телефон требует проверок и исправлений для отправки и получения данных по грязным радиоволнам. Квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом для решения определенных сложных задач, которые невозможны для обычных компьютеров, но эта мощь зависит от использования чрезвычайно мимолетного поведения субатомных частиц. Эти методы вычислений настолько эфемерны, что даже просмотр их для проверки на наличие ошибок может привести к краху всей системы.

В теоретической статье, опубликованной 9 августа в Сообщения о природе, междисциплинарная команда, возглавляемая Джеффом Томпсоном, адъюнкт-профессором электротехники и вычислительной техники в Принстоне, и сотрудниками Юэ Ву и Шрути Пури из Йельского университета и Шимоном Колковицем из Университета Висконсин-Мэдисон, показали, что они могут значительно улучшить устойчивость квантового компьютера к сбоям и уменьшить количество избыточная информация, необходимая для изоляции и исправления ошибок. Новый метод увеличивает допустимую частоту ошибок в четыре раза, с 1% до 4%, что практично для квантовых компьютеров, находящихся в настоящее время в разработке.

"Фундаментальная проблема квантовых компьютеров заключается в том, что операции, которые вы хотите выполнить, являются шумными", - сказал Томпсон, имея в виду, что вычисления подвержены множеству сбоев.

В обычном компьютере ошибка может быть такой же простой, как случайное переключение бита памяти с 1 на 0, или такой же беспорядочной, как вмешательство одного беспроводного маршрутизатора в работу другого. Общий подход к устранению таких сбоев заключается в создании некоторой избыточности, чтобы каждый фрагмент данных сравнивался с дублирующими копиями. Однако такой подход увеличивает объем необходимых данных и создает больше возможностей для ошибок. Следовательно, это работает только тогда, когда подавляющее большинство информации уже верно. В противном случае сверка неверных данных с неверными данными ведет еще глубже в яму ошибок.

"Если ваш базовый уровень ошибок слишком высок, избыточность - плохая стратегия", - сказал Томпсон. "Преодоление этого порога - главная задача".

Вместо того чтобы сосредоточиться исключительно на сокращении количества ошибок, команда Томпсона, по сути, сделала ошибки более заметными. Команда глубоко изучила фактические физические причины ошибок и спроектировала свою систему таким образом, чтобы наиболее распространенный источник ошибок эффективно устранял, а не просто искажал поврежденные данные. Томпсон сказал, что такое поведение представляет собой особый вид ошибки, известной как "ошибка стирания", которую в принципе легче отсеять, чем данные, которые повреждены, но все еще выглядят как все остальные данные.

В обычном компьютере, если пакет предположительно избыточной информации отображается как 11001, может быть рискованно предполагать, что несколько более распространенные единицы верны, а 0 неверны. Но если информация выглядит как 11XX1, где очевидны поврежденные биты, то дело становится более убедительным.

"Эти ошибки стирания значительно легче исправить, потому что вы знаете, где они находятся", - сказал Томпсон. "Они могут быть исключены из большинства голосов. Это огромное преимущество".

Ошибки стирания хорошо изучены в обычных вычислениях, но исследователи ранее не рассматривали возможность создания квантовых компьютеров для преобразования ошибок в стирания, сказал Томпсон.

На практике предложенная ими система может выдерживать частоту ошибок в 4,1%, что, по словам Томпсона, вполне возможно для современных квантовых компьютеров. В предыдущих системах современное исправление ошибок могло обрабатывать погрешность менее 1%, что, по словам Томпсона, находится на пределе возможностей любой современной квантовой системы с большим количеством кубитов.

Способность команды генерировать ошибки стирания оказалась неожиданным преимуществом выбора, который Томпсон сделал много лет назад. Его исследование исследует "кубиты нейтрального атома", в которых квантовая информация ("кубит") хранится в одном атоме. Они первыми применили для этой цели элемент иттербий. Томпсон сказал, что группа выбрала иттербий отчасти потому, что у него есть два электрона в самом внешнем слое электронов, по сравнению с большинством других кубитов нейтрального атома, у которых есть только один.

"Я думаю об этом как о швейцарском армейском ноже, а этот иттербиевый - самый большой и толстый швейцарский армейский нож", - сказал Томпсон. "Та дополнительная сложность, которую вы получаете от наличия двух электронов, дает вам множество уникальных инструментов".

Одно из применений этих дополнительных инструментов оказалось полезным для устранения ошибок. Команда предложила перекачивать электроны в иттербии из их стабильного "основного состояния" в возбужденные состояния, называемые "метастабильными состояниями", которые могут быть долгоживущими при правильных условиях, но по своей сути хрупкими. Вопреки здравому смыслу, исследователи предлагают использовать эти состояния для кодирования квантовой информации.

"Это похоже на то, что электроны идут по натянутому канату", - сказал Томпсон. И система спроектирована таким образом, что те же факторы, которые вызывают ошибку, также приводят к тому, что электроны срываются с натянутого каната.

В качестве бонуса, как только они переходят в основное состояние, электроны рассеивают свет очень заметным образом, поэтому, освещая набор иттербиевых кубитов, загораются только неисправные. Те, которые загораются, должны быть списаны как ошибки.

Этот прогресс потребовал объединения знаний как в аппаратном обеспечении квантовых вычислений, так и в теории квантовой коррекции ошибок, используя междисциплинарный характер исследовательской группы и их тесное сотрудничество. Хотя механика этой установки специфична для атомов иттербия Томпсона, он сказал, что идея создания квантовых кубитов для генерации ошибок стирания может быть полезной целью в других системах, многие из которых находятся в разработке по всему миру, и это то, над чем группа продолжает работать.

"Мы рассматриваем этот проект как создание своего рода архитектуры, которая может быть применена многими различными способами", - сказал Томпсон, добавив, что другие группы уже начали разрабатывать свои системы для преобразования ошибок в стирания. "Мы уже видим много интересного в поиске адаптаций для этой работы".

В качестве следующего шага группа Томпсона сейчас работает над демонстрацией преобразования ошибок в стирания в небольшом работающем квантовом компьютере, который объединяет несколько десятков кубитов.

Эта работа была поддержана Национальным научным фондом QLCI Center for Robust Quantum simulation, а также грантами Исследовательского управления армии, Управления военно-морских исследований, Управления перспективных оборонных проектов и Фонда Слоана.