Квантовые процессоры станут проще. Учёные нашли способ считывать кубиты без их разрушения
Бит в процессоре смартфона можно считывать хоть миллиард раз подряд, и он останется тем же нулем или единицей. Квантовый кубит работает иначе.
Пока человек не вмешивается, он находится в суперпозиции — то есть одновременно является и нулем, и единицей. Но как только вы подносите измерительный прибор, эта крошечная магия мгновенно рассыпается. Сама попытка прочитать данные безвозвратно изменяет их.
В течение многих лет экспериментаторы выкручивались с помощью хитростей. Они разработали метод так называемых «кубитов-слуг», или ансилов. Это вспомогательные частицы, на которые незаметно переносят часть информации из основного кубита, а затем измеряют уже их. Спасительный трюк работает, но дорогой ценой: микросхемы обрастают лишними проводами, вычисления замедляются, а квантовый компьютер становится слишком громоздким.
Команда учёных во главе с профессором Жозе Карлосом Эгуэсом и Юйгуем Яо нашла способ отправить этих «слуг» на свалку истории. Своё исследование они опубликовали в журнале Physical Review B.
Физики предложили использовать так называемый кубит Андреева. Его создают в крошечной наноструктуре — квантовой точке из арсенида индия, зажатой между двумя сверхпроводниками. Когда такой кубит колеблется между своими базовыми состояниями, в нём без какого-либо внешнего напряжения возникает электрический сверхток.
Это удивительное явление. Обычно сверхпроводящий ток течет ровно и требует внешнего воздействия, чтобы начать пульсировать (так называемый эффект Джозефсона). Здесь же квантовые волны внутри кубита заставляют ток изменяться сами по себе. Возникает видимый макроскопический сигнал, порождённый скрытым микромиром. В этом переменном токе зашифровано всё: и точные пропорции нуля и единицы, и фазовый сдвиг между ними.
Чтобы измерить эти показатели без прямого воздействия на квантовое состояние, ученые установили рядом сверхчувствительный магнитометр — сQUID. Пульсирующий ток создаёт слабое магнитное поле, а прибор улавливает его колебания с безопасного расстояния.
Профессор Эгуэс сравнивает это с парой обычных компасов. Если стрелка одного из них едва заметно задрожит, соседняя стрелка почувствует это поле, но не толкнет первую слишком сильно. Связь настолько деликатная, что квантовая суперпозиция не разрушается.
Компьютерное моделирование с учётом всех возможных шумов показало точность считывания до 99,85%. Этого с лихвой достаточно для современных протоколов исправления квантовых ошибок.