Квантовые компьютеры, основанные на кажущихся волшебными свойствах квантовой области, перспективны для использования во многих различных областях, включая медицину, материаловедение, криптографию и фундаментальную физику. Но в то время как современные квантовые компьютеры могут быть полезны для изучения узких областей физики, квантовый компьютер общего назначения, способный решать более сложные задачи, пока невозможен из-за присущей ему чувствительности к шуму. Вибрации, тепло, электромагнитные помехи от сотовых телефонов и сетей Wi-Fi или даже космические лучи и излучение из открытого космоса - все это может вывести кубиты - квантовые биты - из их квантового состояния. В результате квантовые компьютеры допускают гораздо больше ошибок, чем их классические компьютерные аналоги.

В отчете, опубликованном в номере журнала Nature от 26 февраля, команда ученых из AWS и Caltech демонстрирует новую архитектуру квантового чипа для подавления ошибок с использованием кубита типа, известного как кубит cat. Кубиты Cat были впервые предложены в 2001 году, и с тех пор исследователи разрабатывали и совершенствовали их. Теперь команда AWS собрала первый масштабируемый кубитный чип cat, который можно использовать для эффективного уменьшения квантовых ошибок. Новый квантовый вычислительный чип под названием Ocelot назван в честь пятнистой дикой кошки, а также отдает дань внутренней технологии "осциллятора", лежащей в основе кубитов cat.

"Чтобы квантовые компьютеры были успешными, нам нужно, чтобы частота ошибок была примерно в миллиард раз выше, чем сегодня", - говорит Оскар Пейнтер (PhD '01), профессор прикладной физики Джона Г. Брауна в Калифорнийском технологическом институте и глава отдела квантового оборудования AWS. "Количество ошибок снижается примерно в два раза каждые два года. При таких темпах нам потребовалось бы 70 лет, чтобы добраться туда, где мы должны быть. Вместо этого мы разрабатываем новую архитектуру чипа, которая, возможно, поможет нам добиться этого быстрее. Тем не менее, это ранний строительный блок. Нам еще многое предстоит сделать".

Кубиты основаны на единицах и 0, как и в классических компьютерах, но 1 и 0 находятся в состоянии суперпозиции. Это означает, что они могут принимать любую комбинацию из 1 и 0 одновременно. Это также означает, что они хрупкие и могут очень легко выпасть из суперпозиции. "То, что делает кубиты мощными, также делает их чувствительными к квантовым ошибкам", - говорит Пейнтер.

Классические цифровые компьютерные системы имеют простой способ обработки ошибок. По сути, разработчики этих систем используют дополнительные избыточные биты для защиты данных от ошибок. Например, один бит информации реплицируется в трех битах, так что у любого одного бита есть два партнера для резервного копирования. Если один из этих битов содержит ошибку (переключается с 1 на 0 или с 0 на 1), а два других не переключились, простой код - в данном случае то, что называется трехбитным кодом повторения - может быть использован для обнаружения ошибки и восстановления нечетного бита.

Из-за сложности суперпозиции, обнаруживаемой в кубитах, они могут иметь два типа ошибок: сдвиги битов, как в классических цифровых системах, и сдвиги фаз, при которых состояния кубитов 1 и 0 становятся не по фазе (или не синхронизированы) друг с другом. Исследователи разработали множество стратегий для обработки обоих типов ошибок в квантовых системах, но эти методы требуют, чтобы у кубитов было значительное количество партнеров для резервного копирования. Фактически, современные кубитные технологии могут потребовать тысяч дополнительных кубитов, чтобы обеспечить желаемый уровень защиты от ошибок. Это было бы похоже на то, как если бы газетное издание использовало огромное количество средств проверки фактов для проверки точности своих статей, а не просто небольшую команду. Накладные расходы на квантовые компьютеры чрезмерны и громоздки.

"Мы находимся в долгосрочном поиске создания полезного квантового компьютера, способного делать то, что не под силу даже лучшим суперкомпьютерам, но их масштабирование - огромная задача", - говорит соавтор исследования Фернандо Брандао, профессор теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте и директор по прикладным наукам в AWS. "Итак, мы пробуем новые подходы к исправлению ошибок, которые позволят снизить накладные расходы".

Новая схема команды основана на типе кубита, сформированного из сверхпроводящих цепей, изготовленных из микроволновых генераторов, в которых состояния 1 и 0, представляющие кубит, определяются как две разные крупномасштабные амплитуды колебаний. Это делает состояния кубитов очень стабильными и невосприимчивыми к ошибкам переключения битов. "Вы можете представить себе два колебательных состояния как у ребенка на качелях, который раскачивается с большой амплитудой, но либо влево, либо вправо. Может налететь ветер и раскачать качели, но амплитуда колебаний настолько велика, что они не могут быстро переключиться с одного направления качания на другое", - объясняет Пейнтер.

На самом деле, название "кошачьих" кубитов относится к способности этих кубитов принимать два очень больших, или макроскопических, состояния одновременно - точно так же, как знаменитый кот в мысленном эксперименте Эрвина Шредингера, который может быть и мертвым, и живым одновременно.

Поскольку кубиты cat значительно уменьшили ошибки переключения битов, единственными ошибками, которые осталось исправить, являются ошибки переключения фаз. А исправление только одного типа ошибок означает, что исследователи могут использовать повторяющийся код, подобный тем, которые используются для исправления ошибок с переворотом битов в классических системах.

"Классический код, подобный коду повторения в Ocelot, означает, что новым чипам не потребуется столько кубитов для исправления ошибок", - говорит Брандао. "Мы продемонстрировали более масштабируемую архитектуру, которая может сократить количество дополнительных кубитов, необходимых для исправления ошибок, до 90 процентов".

Чип Ocelot достигает этого, объединяя пять кубитов cat вместе со специальными буферными схемами для стабилизации их колебаний и четырьмя вспомогательными кубитами для обнаружения фазовых ошибок. Результаты, представленные в статье Nature, показывают, что простой повторяющийся код команды эффективен при обнаружении ошибок переключения фаз и улучшается по мере увеличения кода с трех кубитов cat до пяти кубитов cat. Более того, процесс обнаружения фазовых ошибок был реализован таким образом, чтобы поддерживать высокий уровень подавления ошибок с переворотом битов в кубитах cat.

До демонстрации концепции еще далеко, но Пейнтер говорит, что он в восторге от производительности, которую Ocelot продемонстрировал так быстро, и что команда проводит дополнительные исследования для расширения технологии. "Это очень сложная проблема для решения, и нам нужно будет продолжать инвестировать в фундаментальные исследования, оставаясь при этом на связи с важной работой, проводимой в академических кругах, и извлекая уроки из нее", - говорит он.

Исследование Nature под названием "Аппаратно-эффективная квантовая коррекция ошибок с помощью объединенных бозонных кубитов" финансировалось AWS. В дополнение ко многим исследователям AWS, другими авторами из Калифорнийского технологического института являются Джон Прескилл, профессор теоретической физики Ричард П. Фейнман и руководитель Института квантовой информации и материи Аллен В. С. Дэвис и Ленабель Дэвис, или IQIM, и Гил Рефаэль, профессор теоретической физики Тейлора У. Лоуренса.