Предложена новая схема исправления квантовых ошибок
Доктор Бора и его коллеги из OIST, а также их сотрудники из Тринити-колледжа в Дублине, Ирландия, и Университета Квинсленда в Брисбене, Австралия, предложили новый метод исправления ошибок в квантовых вычислениях, который недавно был опубликован в журнале Physical Review Research.
Факторы окружающей среды, называемые декогерентностью, приводят к случайному вращению кубитов. Например, на среднем рисунке центральный кубит вращается, что представляет собой квантовую ошибку. Задача схем QEC — обнаруживать и исправлять такие ошибки, чтобы кубиты можно было вернуть в исходное состояние. Авторы и права: Сангха Бора, OIST
Квантовые компьютеры открывают огромные перспективы в нашем мире больших данных. Если исследователи смогут использовать их потенциал, эти устройства смогут выполнять чрезвычайно сложные вычисления с молниеносной скоростью.
Классические компьютеры, такие как наши ноутбуки, хранят информацию в битах, которые существуют в одном из двух физических состояний: 0 или 1. Но кубиты, эквивалентная форма хранения данных для квантовых компьютеров, работают иначе, потому что их природа вероятностная, а не детерминированная. Они могут существовать как 0 и 1 одновременно, что и дает им силу. По мере увеличения количества кубитов, хранящихся в квантовом компьютере, этот компьютер может обрабатывать информацию экспоненциально быстрее, чем классический компьютер.
Но есть и обратная сторона. Кубиты хрупкие. Их состояния меняются очень быстро, например, в ответ на такие факторы окружающей среды, как температура, что приводит к большому количеству ошибок. Исследователи изо всех сил пытались разработать эффективный способ исправления этих ошибок в режиме реального времени. Методы исправления таких квантовых ошибок известны как схемы квантовой коррекции ошибок (QEC).
«Для квантовых вычислений эти ошибки — настоящая проблема, — говорит доктор Сангка Бора, научный сотрудник отдела квантовых машин под руководством профессора Джейсона Твэмли из Окинавского института науки и технологий (OIST). «Если мы сможем понять, как точно выполнять QEC, очень скоро у нас могут быть пригодные для использования квантовые компьютеры».
Теперь доктор Бора и его коллеги из OIST, а также их сотрудники из Тринити-колледжа в Дублине, Ирландия, и Университета Квинсленда в Брисбене, Австралия, предложили новый метод исправления ошибок, который недавно был опубликован в журнале Physical Review Research.
На этой схеме показано, как работает схема MBE-CQEC для трех кубитов. Кубиты в квантовом компьютере (слева) непрерывно измеряются оценщиком (справа), которым управляет классический компьютер. Оценщик обнаруживает ошибки, выполняя измерения синдрома, а затем исправляет их с помощью соответствующей обратной связи. Авторы и права: Сангха Бора, OIST
Достижение QEC включает в себя создание набора из нескольких кубитов с использованием квантово-механического свойства, называемого запутанностью. Чтобы обнаружить ошибки, происходящие в кубитах, схема QEC должна применять ряд измерений, известных как измерения синдрома. Эти измерения позволяют оценить, выровнены ли два ближайших соседних кубита в одном направлении или нет. Результаты этих измерений называются синдромами, и на их основе можно обнаружить и впоследствии исправить ошибку в кубитах.
Обычно используемые схемы QEC обычно медленные, а также приводят к быстрой потере информации, хранящейся в кубитах, из-за ошибок, которые они не могут отловить и исправить в режиме реального времени. Кроме того, такие методы QEC используют традиционный подход квантовых измерений, называемый проективным измерением, для получения синдромов. Этот подход требует нескольких дополнительных кубитов, что делает его ресурсоемким.
Вместо этого д-р Бора и его коллеги использовали подход, называемый непрерывным измерением. Такие измерения могут быть выполнены намного быстрее, чем обычные проективные измерения, с высокой эффективностью использования ресурсов. Они разработали схему QEC, называемую схемой оценки на основе измерений для непрерывной квантовой коррекции ошибок (MBE-CQEC), которая может быстро и эффективно обнаруживать и исправлять ошибки в измерениях частичного синдрома с шумом. Они установили мощный классический компьютер в качестве внешнего контроллера (или оценщика), который оценивает ошибки в квантовой системе, идеально отфильтровывает шум и применяет обратную связь для их исправления.
Новая схема QEC основана на теоретической модели, которую еще предстоит проверить экспериментально на квантовом компьютере, объясняет доктор Бора. Кроме того, у него есть важное ограничение: по мере увеличения количества кубитов в системе симуляция оценщика в реальном времени становится экспоненциально медленнее.
«Мы работаем над этим и надеемся, что другие специалисты в этой области также займутся этой проблемой», — заключил доктор Бора.
