Безошибочные квантовые вычисления становятся реальностью
В современных компьютерах ошибки при обработке и хранении информации стали редкостью благодаря качественному изготовлению. Однако для критических приложений, где даже единичные ошибки могут иметь серьезные последствия, по-прежнему используются механизмы исправления ошибок, основанные на избыточности обрабатываемых данных.
Художественное представление операций ворот над логическими квантовыми битами, которые защищены от сбоев с помощью квантовой коррекции ошибок. Предоставлено: Йоханнес Кюнц
Квантовые компьютеры по своей природе гораздо более восприимчивы к помехам и поэтому, вероятно, всегда будут нуждаться в механизмах исправления ошибок, потому что в противном случае ошибки будут бесконтрольно распространяться в системе, и информация будет потеряна. Поскольку фундаментальные законы квантовой механики запрещают копирование квантовой информации, избыточность может быть достигнута путем распределения логической квантовой информации в запутанном состоянии нескольких физических систем, например нескольких отдельных атомов.
Группе под руководством Томаса Монца с факультета экспериментальной физики Инсбрукского университета и Маркуса Мюллера из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена и исследовательского центра Юлиха в Германии впервые удалось реализовать набор вычислительных операций над двумя логическими квантовыми битами, которые могут использоваться для реализации любой возможной операции. «Для настоящего квантового компьютера нам нужен универсальный набор логических элементов, с помощью которых мы можем программировать все алгоритмы», — объясняет Лукас Постлер, физик-экспериментатор из Инсбрука.
Реализована фундаментальная квантовая операция
Группа исследователей реализовала этот универсальный набор ворот на квантовом компьютере с ионной ловушкой, состоящем из 16 захваченных атомов. Квантовая информация хранилась в двух логических квантовых битах, каждый из которых распределялся по семи атомам.
Теперь впервые удалось реализовать два вычислительных элемента на этих отказоустойчивых квантовых битах, которые необходимы для универсального набора элементов: вычислительная операция на двух квантовых битах (вентиль CNOT) и логический T вентиль, который особенно сложно реализовать на отказоустойчивых квантовых битах.
«T-ворота — очень фундаментальные операции», — объясняет физик-теоретик Маркус Мюллер. «Они особенно интересны, потому что квантовые алгоритмы без T-вентилей можно относительно легко моделировать на классических компьютерах, сводя на нет любое возможное ускорение. Это больше невозможно для алгоритмов с T-вентильями». Физики продемонстрировали Т-образные ворота, подготовив особое состояние в логическом квантовом бите и телепортировав его в другой квантовый бит с помощью операции запутанного вентиля.
Сложность увеличивается, но точность также
В закодированных логических квантовых битах сохраненная квантовая информация защищена от ошибок. Но это бесполезно без вычислительных операций, а сами эти операции подвержены ошибкам.
Исследователи реализовали операции над логическими кубитами таким образом, что ошибки, вызванные лежащими в их основе физическими операциями, также могут быть обнаружены и исправлены. Таким образом, они реализовали первую отказоустойчивую реализацию универсального набора вентилей на закодированных логических квантовых битах.
«Отказоустойчивая реализация требует больше операций, чем неотказоустойчивые операции. Это внесет больше ошибок в масштабе отдельных атомов, но тем не менее экспериментальные операции над логическими кубитами лучше, чем неотказоустойчивые логические операции», Томас Монц рад сообщить. «Усилия и сложность увеличиваются, но качество получается лучше». Исследователи также проверили и подтвердили свои экспериментальные результаты с помощью численного моделирования на классических компьютерах.
Теперь физики продемонстрировали все строительные блоки отказоустойчивых вычислений на квантовом компьютере. Теперь задача состоит в том, чтобы реализовать эти методы на более крупных и, следовательно, более полезных квантовых компьютерах. Методы, продемонстрированные в Инсбруке на квантовом компьютере с ионной ловушкой, также можно использовать на других архитектурах квантовых компьютеров.
Исследование было опубликовано в Nature.
