Удвоение жизни кубита доказывает ключевую теорию квантовой физики
Исследователи из Йельского университета впервые с помощью процесса, известного как квантовая коррекция ошибок, существенно увеличили время жизни квантового бита — долгожданная цель и одна из самых сложных задач в области квантовой физики. Под руководством Майкла Деворета из Йельского университета эксперимент доказывает — спустя десятилетия после того, как были предложены его теоретические основы — что квантовая коррекция ошибок работает на практике. Квантовая коррекция ошибок — это процесс, предназначенный для сохранения квантовой информации в неизменном виде в течение более длительного периода времени, чем если бы та же информация хранилась в аппаратных компонентах без каких-либо исправлений. Результаты были опубликованы 22 марта в журнале Nature.
Предоставлено: Йельский университет.
Информация в классических вычислениях поступает в виде битов, соответствующих единицам или нулям. В квантовых вычислениях информация хранится в специальных устройствах с квантовыми свойствами, которые известны как квантовые биты или «кубиты». В лаборатории Деворе, профессора прикладной физики им. Фредерика В. Бейнеке, эти кубиты создаются из сверхпроводящих цепей, охлаждаемых до температур в 100 раз ниже, чем в открытом космосе. Каждый кубит может представлять единицу или ноль, или, как ни странно, и единицу и ноль одновременно. Этот «квантовый параллелизм» является одним из свойств, которое позволяет квантовым компьютерам выполнять вычисления, что потенциально будут на несколько порядков быстрее, чем это возможно на классических суперкомпьютерах, и преобразовывать многие отрасли.
Однако квантовые системы хрупки. Их преследует фундаментальное явление декогеренции — процесс, при котором информация, хранящаяся в кубитах, быстро теряет свои квантовые свойства в результате их взаимодействия с окружающей средой.
Квантовая коррекция ошибок, которая была теоретически открыта в 1995 году, предлагает средства для борьбы с этой декогерентностью. Используя избыточность, он защищает квантовый бит информации, кодируя его в системе большего размера, чем в принципе необходимо для представления одного кубита.
Однако эта более крупная система делает влияние окружающей среды еще более агрессивным, а закодированный кубит еще более хрупким. Из-за этого эффекта и осложнений, связанных с дополнительными компонентами, необходимыми для исправления ошибок, этот процесс никогда не мог окончательно продлить срок службы квантового бита на практике. Исследователи говорят, что на самом деле безубыточность даже с неисправленным кубитом — редкое событие. Вопреки теоретическим обещаниям, в большинстве экспериментов исправление ошибок ускоряет декогерентность квантовой информации.
«Впервые мы показали, что увеличение избыточности системы и активное обнаружение и исправление квантовых ошибок обеспечило повышение устойчивости квантовой информации», — сказал Деворет. «Наш эксперимент показывает, что квантовая коррекция ошибок — это реальный практический инструмент. Это больше, чем просто демонстрация принципа».
Группе Деворе удалось более чем удвоить время жизни квантовой информации. Их кубит с исправлением ошибок жил 1,8 миллисекунды — в квантовой сфере все происходит быстро.
Они достигли своих результатов, используя код исправления ошибок, который был изобретен в 2001 году. «Это дает вам ощущение задержки между теоретическими предложениями и их практической реализацией в нашей области», — сказал Деворет.
Владимир Сивак, ведущий автор статьи, сказал, что эта производительность была частично достигнута за счет использования агента машинного обучения, который настроил процесс исправления ошибок для улучшения результата.
«Нет ни одного прорыва, который позволил бы получить такой результат», — сказал Сивак, бывший доктор философии, студент лаборатории Деворе, а сейчас научный сотрудник Google. «На самом деле это комбинация целого ряда различных технологий, разработанных за последние несколько лет, которые мы объединили в этом эксперименте».
Практический успех квантовых вычислений будет зависеть от возможности создавать квантовые биты чрезвычайно высокого качества с использованием квантовой коррекции ошибок . «Наш эксперимент подтверждает краеугольное предположение о квантовых вычислениях, и это очень воодушевляет меня в отношении будущего этой области», — сказал Сивак.
