Описано в новой статье в Природа Исследовательская группа, в которую входят сотрудники QuEra Computing, Массачусетского технологического института и Университета Инсбрука, разработала новый подход к обработке квантовой информации, который позволяет им динамически изменять расположение атомов в своей системе, перемещая и соединяя их друг с другом в процессе вычислений.

Эта способность перетасовывать кубиты (фундаментальные строительные блоки квантовых компьютеров и источник их огромной вычислительной мощности) в процессе вычислений при сохранении их квантового состояния значительно расширяет возможности обработки и позволяет самокорректировать ошибки. Преодоление этого препятствия знаменует собой важный шаг к созданию крупномасштабных машин, которые используют причудливые характеристики квантовой механики и обещают привести к реальным прорывам в материаловедении, коммуникационных технологиях, финансах и многих других областях.

"Причина, по которой сложно создавать крупномасштабные квантовые компьютеры, заключается в том, что в конечном итоге у вас возникают ошибки", - сказал Михаил Лукин, профессор физики Джорджа Васмера Леверетта, содиректор Гарвардской квантовой инициативы и один из старших авторов исследования. "Один из способов уменьшить эти ошибки - просто делать ваши кубиты все лучше и лучше, но другой, более систематический и в конечном счете практичный способ - это сделать то, что называется квантовой коррекцией ошибок. Это означает, что даже если у вас есть какие-то ошибки, вы можете исправить эти ошибки в процессе вычислений с избыточностью."

В классических вычислениях исправление ошибок выполняется простым копированием информации из одной двоичной цифры или бита, чтобы было ясно, когда и где произошел сбой. Например, один единственный бит 0 может быть скопирован три раза для чтения 000. Внезапно, когда он читает 001, становится ясно, где находится ошибка, и ее можно исправить. Основополагающим ограничением квантовой механики является то, что информация не может быть скопирована, что затрудняет исправление ошибок.

Обходной путь, который внедряют исследователи, создает своего рода резервную систему для атомов и их информации, называемую квантовым кодом исправления ошибок. Исследователи используют свою новую технику для создания многих из этих корректирующих кодов, включая так называемый торический код, и он распространяет их по всей системе.

"Ключевая идея заключается в том, что мы хотим взять один кубит информации и распределить его как можно нелокальнее по множеству кубитов, чтобы, если какой-либо из этих кубитов выйдет из строя, это на самом деле не сильно повлияло на все состояние", - сказал Долев Блувштейн, аспирант физического факультета из университета Группа Лукина, которая руководила этой работой.

Что делает этот подход возможным, так это то, что команда разработала новый метод, при котором любой кубит может подключаться к любому другому кубиту по требованию. Это происходит из-за запутанности или того, что Эйнштейн назвал "жутким действием на расстоянии". В этом контексте два атома становятся связанными и способны обмениваться информацией независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Это явление - то, что делает квантовые компьютеры такими мощными.

"Эта запутанность может хранить и обрабатывать экспоненциально большой объем информации", - сказал Блувштейн.

Новая работа основана на программируемом квантовом симуляторе, который лаборатория разрабатывает с 2017 года. Исследователи добавили к нему новые возможности, позволяющие им перемещать запутанные атомы без потери их квантового состояния и во время работы.

Предыдущие исследования в области квантовых систем показали, что как только начинается процесс вычисления, атомы, или кубиты, застревают на своих позициях и взаимодействуют только с кубитами поблизости, ограничивая виды квантовых вычислений и симуляций, которые могут быть выполнены между ними.

Ключ в том, что исследователи могут создавать и хранить информацию в так называемых сверхтонких кубитах. Квантовое состояние этих более надежных кубитов длится значительно дольше, чем у обычных кубитов в их системе (несколько секунд по сравнению с микросекундами). Это дает им время, необходимое для того, чтобы связать их с другими кубитами, даже удаленными, чтобы они могли создавать сложные состояния запутанных атомов.

Весь процесс выглядит следующим образом: исследователи выполняют первоначальное сопряжение кубитов, посылают импульс глобального лазера из своей системы, чтобы создать квантовый затвор, который запутывает эти пары, а затем сохраняет информацию о паре в сверхтонких кубитах. Затем, используя двумерный массив индивидуально сфокусированных лазерных лучей, называемых оптическими пинцетами, они перемещают эти кубиты в новые пары с другими атомами в системе, чтобы запутать их также. Они повторяют шаги по любому шаблону, который они хотят, чтобы создать различные виды квантовых схем для выполнения различных алгоритмов. В конце концов, все атомы соединяются в так называемом кластерном состоянии и распределяются достаточно широко, чтобы они могли действовать как резервные копии друг для друга в случае ошибки.

Блувштейн и его коллеги уже использовали эту архитектуру для создания программируемого квантового компьютера с исправлением ошибок, работающего на 24 кубитах, и планируют расширять его. Система стала основой для их видения квантового процессора.

"В самой ближайшей перспективе мы в принципе можем начать использовать этот новый метод как своего рода песочницу, где мы действительно начнем разрабатывать практические методы исправления ошибок и изучать квантовые алгоритмы", - сказал Лукин. "Прямо сейчас [с точки зрения перехода к крупномасштабным, полезным квантовым компьютерам] я бы сказал, что мы поднялись на гору достаточно, чтобы увидеть, где находится вершина, и теперь действительно можем видеть путь от того места, где мы находимся, до самой высокой вершины".