Ученые нашли эффективное решение проблем квантовых вычислений.
Для преодоления проблем квантовых вычислений, вызванных шумами и помехами, ученые из Атомного хранилища квантовых вычислений (AWS) при Калифорнийском технологическом институте предлагают использовать новый чип Ocelot, в котором используются «кошачьи кубиты». Это особый тип кубитов, который обещает значительно снизить количество ошибок в квантовых вычислениях.
Традиционные квантовые системы нуждаются в тысячах дополнительных кубитов для исправления ошибок, но использование «кошачьих кубитов» позволяет сократить их количество на 90%. Квантовые компьютеры, работающие на квантово-механических принципах, обещают революционные достижения в медицине, материаловедении, криптографии и фундаментальной физике.
Несмотря на огромный потенциал квантовых компьютеров в специализированных физических исследованиях, они все еще очень уязвимы, подвержены ошибкам и чрезмерно чувствительны к внешним помехам. Они очень чувствительны к вибрациям, теплу, электромагнитным помехам и даже излучению из космоса.
Исследователи AWS продемонстрировали новую архитектуру квантовых чипов, позволяющую преодолеть помехи с помощью специальных кубитов, известных как «кошачьи кубиты». Впервые этот тип кубитов был предложен в 2001 году и с тех пор был значительно усовершенствован.
Исследователям удалось создать первый масштабируемый чип с «кошачьими» кубитами и назвать его Ocelot в честь пятнистой дикой кошки. Кроме того, название является отсылкой к внутреннюю «осцилляторную технологию». Система, которая осциллирует, т.е. показания которой периодически повторяются во времени.что является основой кошачьих кубиков.
«Для успешной работы квантовых компьютеров необходимо, чтобы коэффициент ошибок был примерно в миллиард раз ниже, чем сейчас…». Коэффициент ошибок уменьшается примерно вдвое каждые два года. При таких темпах потребуется 70 лет, чтобы достичь желаемого. Вместо этого мы разрабатываем новую архитектуру чипов, которая поможет нам достичь этого раньше. Однако это только первый шаг. Нам предстоит еще много работы», — объясняет он. Оскар Пейнтер, профессор прикладной физики Джона Г. Брауна в Калифорнийском технологическом институте и директор отдела квантовой инженерии компании AWS.
Как и классические компьютеры, квантовые компьютеры также используют двоичный код из единиц и нулей и хранят эти значения в состоянии суперпозиции. Это позволяет им хранить все комбинации этих цифр одновременно. Однако квантовые компьютеры все еще очень уязвимы и могут легко потерять это состояние суперпозиции.
В классических компьютерах для защиты данных от ошибок используются дополнительные избыточные биты. Например, информационный бит копируется тремя битами, так что у любого бита есть два запасных. Если один из этих битов имеет ошибку (превращается из 1 в 0 или из 0 в 1), а два других бита не превращаются, то для обнаружения ошибки и восстановления нечетного бита можно использовать простой код — в данном случае так называемый трехбитовый код повторения.
Из-за сложности поддержания состояния суперпозиции с помощью кубитов, в кубитах могут возникать два типа ошибок: поворот бита, как в классических цифровых системах, и поворот фазы, когда состояния 1 и 0 кубитов находятся вне фазы (или не синхронизированы) друг с другом.
Исследователи разработали ряд стратегий для борьбы с этими двумя типами ошибок в квантовых системах. Однако эти методы требуют большого количества дополнительных запасных кубитов. Фактически, современным квантовым компьютерам могут потребоваться тысячи дополнительных кубитов, чтобы обеспечить желаемый уровень защиты от ошибок.
«Мы стремимся создать полезный квантовый компьютер, который сможет делать то, что не под силу даже лучшим суперкомпьютерам, но масштабировать его — это огромная проблема. Поэтому мы тестируем новые подходы к исправлению ошибок, которые уменьшают накладные расходы», — говорит он. соавтор исследования, профессор теоретической физики Калифорнийского технологического института и директор отдела прикладных наук AWS. Фернандо Брандао
Как Кошачьи кубиты должны уменьшить количество ошибок в квантовых вычислениях
Новая стратегия основана на типе кубита, образованного сверхпроводящими цепями. Эти цепи состоят из СВЧ-осцилляторов, в которых состояния 1 и 0, представляющие собой кубиты, определяются как две различные крупномасштабные амплитуды колебаний В результате кубиты находятся в очень стабильном состоянии и становятся неуязвимыми для ошибок вращения битов.