Логічний кубіт з 13 кубітів відстежив помилки і не піддався на шум
Корекція помилок кубітів у квантових системах вимагає використання додаткових кубітів, ніби над системою, які стежать за нею та виявляють і виправляють помилки. Але більша кількість кубітів обтяжує систему, тому вчені шукають протоколів корекції, які зможуть працювати і в шумі, і не вимагати масштабування. Американським вченим вдалося реалізувати один з таких, де логічний кубіт з 13 іонних кубітів встояв перед шумом, а середня помилка склала менше відсотка. Як дослідники виправляли квантові помилки, вони повідомили у Nature.
Квантовий процесор на іонних кубітах. Kai Hudek / JQI
Як помиляються квантові комп'ютери?
Квантова перевага, за якою женуться вчені, лежить у базовому понятті квантової механіки — квантовій суперпозиції. Вона говорить нам, що частинка не просто може знаходитися у точці А і у точці Б, а і у двох одночасно. І пов'язаний з квантовою фізикою у свідомості кіт Шредингера, який може одночасно бути і живим, і мертвим, говорить саме про це. Квантові комп'ютери є ефективнішими за класичні з огляду виключно на цю властивість, адже так замість звичних нам бітів, які мають «одиниці» і «нулі», використовуються кубіти, що з огляду на суперпозицію мають більшу інформаційну ємність та можуть обробляти більше інформації.
Втім, суперпозиція так само і заважає тієї квантової переваги досягти. Ми не можемо використовувати квантову систему для зберігання і надійної обробки інформації повністю ізольованою від зовнішнього світу: потрібно керувати нею, зчитувати оброблену кубітами інформацію. А зовнішній світ збурює систему так, що кубіти втрачають свій зв'язок — піддаються декогеренції — і тому втрачають всю збережену у собі інформацію. Кубіти зазнають як від звичайних помилок перевороту бітів (коли стан кубіта змінюється з 1 на 0 або навпаки), так помилок перевороту фази (коли змінюється знак суперпозиції).
Як вберегти їх від помилок?
І виходить так, що, з одного боку, для ускладнення задач для квантових комп'ютерів, нам потрібна більша кількість кубітів, а з іншого — чим більша їхня кількість, тим більше накопичується помилок, та когеренцію втрачає вся система. Щоб квантові комп'ютери працювали ефективно, потрібно навчитися ловити і коригувати їм помилки. Для цього фізики розробили різні протоколи, які здатні помилки пригнічувати. І зокрема одним з таких способів є використання кількох фізичних кубітів для кодування одного кубіта логічного, який і займається вирішенням завдання. Такі коди корекції використовують певне розташування кубітів так, щоб вони працювали на виявлення помилок один одного. У своїй новій роботі вчені з Мерілендського університету спробували перевірити на практиці один із способів квантової корекції помилок, який дає змогу забезпечити відмовостійке керування логічним кубітом, здатним виправляти всі однокубітні помилки.
Як кубіти застрахували від помилок?
На іонному квантовому обчислювачі вчені створили систему, яка відстежує і виправляє помилки при приготуванні стану кубіта, його вимірюванні і застосуванні під час операції. Для цього вони використовували алгоритм Бейкона-Шора, який може виправити будь-яку помилку одного кубіта. Він додає по три кубіти на кожен вид помилки і, таким чином, у разі виникнення будь-якої в одному з кубітів, інформацію можна буде в будь-якому випадку відновити з двох інших. Так фізики вбудували дев'ять кубітів даних і чотири допоміжних кубіти (всього 13) у ланцюжок з п'ятнадцяти іонів. Після вимірювання кубітів даних логічний результат вимірювання визначається шляхом обчислення загальної парності всіх кубітів в базисі. За допомогою цієї інформації можна запустити автономне виправлення помилок, яке виправляє кожну окрему. Вчені порівнювали помилки для схеми з корекцією помилок і без неї і виявилося, що така схема дозволяє створювати і вимірювати будь-які однокубітні стани з 0,6 відсотка помилок. А на етапі визначення стану кубіта помилка становить всього 0,3 відсотка. Крім точності результату і стійкості до шуму, виявилося, що кубіти стабільніше в часі, ніж такі ж, але створені в схемі без коду корекції.
Схема роботи коду корекції вчених, який кодує дев’ять кубітів даних в один логічний кубіт. Чотири стабілізатори зіставлені з допоміжними кубітами 10, 11, 12 і 13 для вимірювання похибок на двох базисах (фіолетовий і помаранчевий). Два сірих кубіти по краях не беруть участь у вимірюваннях. Laird Egan et al. / Nature, 2021
За словами дослідників, продемонструвавши роботу схеми на реальній системі, вони можуть реалізувати її як універсальний інструмент коригування помилок у квантових операціях. Тому вони планують повторити свій підхід із двома логічними кубітами та масштабувати систему.