Шум окружающей среды, представленный здесь в виде маленького демона, может влиять на состояние квантового компьютера, изменяя фазы различных ветвей его волновой функции непредсказуемым образом; мы называем это расфазировкой. Здесь положение стрелки часов представляет собой фазу конкретной ветви волновой функции. Его модификация, не известная нам, повлияет на тонкий балет фазовой рекомбинации, на который опираются квантовые вычисления. Кредит: Л. Лами

Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для выполнения вычислений. В отличие от классических компьютеров, которые используют биты (могут быть либо 0, либо 1) квантовые компьютеры используют квантовые биты или кубиты, — они могут находиться в суперпозиции 0 и 1 одновременно.

Это позволяет квантовым компьютерам выполнять определенные виды вычислений намного быстрее, чем классические компьютеры. Например, квантовый компьютер может факторизовать очень большие числа за долю времени, которое потребовалось бы классическому компьютеру.

Хотя можно было бы наивно приписать такое преимущество способности квантового компьютера выполнять множество вычислений параллельно, реальность оказывается сложнее. Квантовая волновая функция квантового компьютера (представляющая его физическое состояние) имеет несколько ветвей, каждая со своей фазой. Фазу можно рассматривать как положение стрелки часов, которая может указывать в любом направлении на циферблате.

В конце своих вычислений квантовый компьютер рекомбинирует результаты всех вычислений, которые он одновременно выполнял на разных ветвях волновой функции, в единый ответ. «Фазы, связанные с различными ветвями, играют ключевую роль в определении результата этого процесса рекомбинации, мало чем отличаясь от того, как синхронность шагов балерины играет ключевую роль в определении успеха балетного представления», — объясняет Лами.

Свет может проходить по оптическому волокну разными путями. Невозможность узнать точный путь, по которому прошел световой луч, приводит к эффективному дефазирующему шуму. Кредит: Л. Лами

Разрушающий шум окружающей среды

Существенным препятствием для квантовых вычислений является шум окружающей среды . Такой шум можно уподобить маленькому демону, который непредсказуемым образом изменяет фазу различных ветвей волновой функции. Этот процесс вмешательства в фазу квантовой системы называется расфазировкой и может нанести ущерб успеху квантовых вычислений.

Расфазировка может возникать в повседневных устройствах, таких как оптические волокна, которые используются для передачи информации в виде света. Лучи света, проходящие через оптическое волокно, могут идти разными путями; поскольку каждый путь связан с определенной фазой, незнание выбранного пути равносильно эффективному дефазирующему шуму.

В своей новой публикации в журнале Nature Photonics Лами и Уайлд анализируют модель, называемую бозонным дефазирующим каналом, чтобы изучить, как шум влияет на передачу квантовой информации. Он представляет собой расфазировку, действующую на одну моду света с определенной длиной волны и поляризацией.

Число, определяющее влияние шума на квантовую информацию, — это квантовая емкость, которая представляет собой количество кубитов и их можно безопасно передать за одно использование волокна. В новой публикации представлено полное аналитическое решение задачи расчета квантовой емкости бозонного канала дефазировки для всех возможных форм дефазирующего шума.

Более длинные сообщения устраняют ошибки

Чтобы преодолеть влияние шума, можно включить в сообщение избыточность, чтобы гарантировать, что квантовая информация все еще может быть извлечена на принимающей стороне. Это похоже на фразу «Альфа, Бета, Чарли» вместо «А, Б, С» при разговоре по телефону. Хотя передаваемое сообщение длиннее, избыточность обеспечивает его правильное понимание.

Новое исследование точно определяет, сколько избыточности необходимо добавить к квантовому сообщению, чтобы защитить его от дефазирующего шума. Это важно, потому что позволяет ученым количественно оценить влияние шума на квантовые вычисления и разработать методы преодоления этих эффектов.