На обрії - створення квантових комп’ютерів із самокорекцією помилок

Дослідники з Ратгерського університету, компанії IBM та їхні колеги з інших наукових інституцій продемонстрували, що квантовий комп’ютер здатний контролювати свій внутрішній стан і реагувати на зміни безпосередньо під час обчислень. Завдяки регулярному скиданню стану окремих кубітів системі вдалося приборкати хаотичну поведінку та втримати її під контролем.

Результати дослідження, опубліковані в журналі Nature Physics, є важливим кроком на шляху до створення стійких до помилок (fault-tolerant) квантових обчислювальних систем.

Створення надійного квантового комп’ютера є складним завданням, оскільки квантова інформація надзвичайно вразлива до зовнішніх шумів, тепла й електромагнітних завад. Звичайний вимір кубіта може зруйнувати його суперпозицію. Щоб обійти це обмеження, вчені використали процес зворотного зв’язку в реальному часі (real-time quantum feedback control).

Експеримент проводився на 156-кубітному процесорі IBM Quantum Heron, де було залучено ланцюг зі 100 з’єднаних кубітів.

Система виконувала операції, що заплутували інформацію між сусідніми кубітами, створюючи хаос (подібно до перемішування колоди карт).

Комп'ютер регулярно перевіряв окремі кубіти та у разі потреби скидав їхній стан.

Загалом було виконано майже 5000 пов'язаних операцій та близько 5000 перевірок із перезавантаженням - це найбільша успішна демонстрація такого підходу на сьогодні.

Учені встановили, що співвідношення між перемішуванням та корекцією створює чітку межу - так званий фазовий перехід. Якщо перемішування переважало (понад 50% часу), система залишалася в стані хаосу. Але якщо частота перевірок і скидань була вищою за 50%, контролювальна компонента перемагала, дозволяючи спрямувати кубіти у впорядкований стан.

Цей феномен підтвердив теоретичні передбачення про те, що порядок у квантових системах може виникати з хаосу за допомогою регулярного випадкового втручання.

«Складність полягала не просто в тому, щоб виміряти кубіт, а в тому, щоб робити це багаторазово, поки решта процесора продовжує працювати. Цей експеримент показує, що сучасне обладнання здатне координувати квантові операції, вимірювання та скидання тисячі разів у межах великої системи», - зазначила Майка Такіта (Maika Takita), провідна наукова співробітниця IBM з квантової корекції помилок.

«Малі зміни можуть призвести до великих наслідків - як метелик, що махає крилами в Африці і викликає ураган у Луїзіані. Але цією неконтрольованою поведінкою можна керувати за допомогою випадкових втручань з чітко визначеною частотою», - підкреслив Джастін Вілсон (Justin Wilson), співавтор дослідження, доцент фізики в Університеті штату Луїзіана.

Цікаво, що ідея дослідження народилася під час дружньої суперечки на вечірці у 2021 році. Професор Ратгерського університету Джедедая Пікслі (Jedediah Pixley) побився об заклад зі своїм колегою Шрірамом Ганешаном щодо квантових ефектів. Пікслі програв парі й пізніше розрахувався двома кульками чорничного морозива під час зустрічі в Аспенському центрі фізики.

Як безпечно перейти до системного та керованого використання ChatGPT Business