В гонке за тем, что может стать ключевой технологией будущего, технологические гиганты, такие как IBM и Google, вкладывают огромные ресурсы в разработку аппаратного обеспечения для квантовых вычислений. Однако существующие платформы еще не готовы к практическому применению. Остается множество проблем, среди которых контроль за несовершенством устройства ("беспорядок").

Это старая мера предосторожности для обеспечения стабильности: когда большие группы людей пересекают мосты, им нужно избегать марширования в ногу, чтобы предотвратить образование резонансов, дестабилизирующих конструкцию. Возможно, это противоречит здравому смыслу, но сверхпроводящий кубитный процессор transmon - технологически продвинутая платформа для квантовых вычислений, которую предпочитают IBM, Google и другие консорциумы, - основан на том же принципе: намеренно вносимый беспорядок блокирует формирование резонансных хаотических флуктуаций, таким образом становясь неотъемлемой частью производства многокубитных процессоров.

Чтобы понять этот, казалось бы, парадоксальный момент, следует думать о трансмонном кубите как о своего рода маятнике. Кубиты, взаимосвязанные для формирования вычислительной структуры, определяют систему связанных маятников - систему, которая, подобно классическим маятникам, может легко возбуждаться до неконтролируемо больших колебаний с катастрофическими последствиями. В квантовом мире такие неконтролируемые колебания приводят к уничтожению квантовой информации; компьютер становится непригодным для использования. Намеренно введенные локальные "расстройки" одиночных маятников сдерживают такие явления.

"Чип transmon не только допускает, но и фактически требует наличия случайных дефектов устройства от кубита к кубиту", - объяснил Кристоф Берке, аспирант последнего курса в группе Саймона Требста в Кельнском университете и первый автор статьи. "В нашем исследовании мы задаемся вопросом, насколько надежен принцип "стабильности по случайности" на практике. Применив современную диагностику теории неупорядоченных систем, мы смогли обнаружить, что по крайней мере некоторые из разрабатываемых промышленностью системных архитектур опасно близки к нестабильности.'

С точки зрения фундаментальной квантовой физики, трансмонный процессор представляет собой многочастичную квантовую систему с квантованными уровнями энергии. Современные численные инструменты позволяют вычислять эти дискретные уровни в зависимости от соответствующих параметров системы, чтобы получить узоры, внешне напоминающие клубок сваренных спагетти. Тщательный анализ таких структур для реалистично смоделированных чипов Google и IBM был одним из нескольких диагностических инструментов, использованных в статье для построения диаграммы стабильности для трансмонных квантовых вычислений.

"Когда мы сравнили чипы Google с чипами IBM, мы обнаружили, что в последнем случае состояния кубитов могут быть связаны до такой степени, что контролируемые операции затвора могут быть скомпрометированы", - сказал Саймон Требст, руководитель группы вычислительной физики конденсированных сред в Кельнском университете. Таким образом, для обеспечения безопасности операций управляемых вентилей необходимо соблюдать тонкий баланс между стабилизацией целостности кубита и обеспечением межкубитной связи. Говоря языком приготовления макаронных изделий, нужно довести процессор квантового компьютера до совершенства, сохраняя энергетические состояния "аль денте" и избегая их спутывания при пережаривании.

Исследование беспорядка в аппаратных средствах transmon было проведено в рамках кластера передового опыта ML4Q в рамках совместной работы исследовательских групп Саймона Требста и Александра Альтланда из Кельнского университета и группы Дэвида Дивинченцо из RWTH Aachen University и Forschungszentrum Jülich. "Этот совместный проект совершенно уникален", - говорит Александр Альтланд из Института теоретической физики в Кельне. "Наши дополнительные знания об аппаратном обеспечении transmon, численном моделировании сложных систем из многих тел и квантовом хаосе были идеальной предпосылкой для понимания того, как можно защитить квантовую информацию с беспорядком. Это также показывает, как информация, полученная для небольших эталонных систем, может быть перенесена в соответствующие приложению проектные масштабы".

Дэвид Дивинченцо, директор-основатель JARA-Института квантовой информации при RWTH Ахенского университета, делает следующий вывод: "Наше исследование демонстрирует, насколько важно для разработчиков аппаратного обеспечения сочетать моделирование устройств с современной методологией квантовой случайности и интегрировать "диагностику хаоса" в качестве рутинной части о конструкции кубитового процессора на сверхпроводящей платформе.'