Квантовое превосходство: ученые нашли способ сделать квантовые вычисления безошибочными

Исследователи Массачусетского технологического института (МТИ) значительно продвинулись на пути усовершенствования квантовых вычислений, продемонстрировав технику, которая устраняет общие ошибки в самой важной операции квантовых алгоритмов — операции с двумя кубитами, или "вентиле".

Об этом сообщается на сайте института.

"Несмотря на огромный прогресс на пути к возможности выполнять вычисления с низким уровнем ошибок со сверхпроводящими квантовыми битами (кубитами), ошибки в двухкубитных вентилях, одном из строительных блоков квантовых вычислений, все еще имеют место быть", — говорит Ёнкю Сун, аспирант МТИ. "Мы продемонстрировали, как можно резко сократить количество таких ошибок".

В квантовых компьютерах обработка информации — чрезвычайно тонкий процесс, выполняемый хрупкими кубитами, которые подвержены декогеренции, т.е. потере связи вследствие взаимодействия квантовомеханической системы с окружающей средой. 

Ранее исследователи предлагали создать настраиваемые элементы связи, позволяющие включать и выключать двухкубитные взаимодействия для управления операциями, сохраняя хрупкие кубиты. Идея настраиваемого ответвителя также была процитирована инженерами Google в ходе недавней демонстрации преимущества квантовых вычислений над классическими вычислениями.

При использовании этого метода устранение ошибок похоже на очистку луковицы: очистка одного слоя открывает следующий. В этом случае, даже при использовании перестраиваемых элементов связи, двухкубитовые вентили все еще были подвержены ошибкам, возникающим в результате остаточных нежелательных взаимодействий между двумя кубитами и между кубитами и устройством связи. В результате, генерировались новые ошибки, количество которых увеличивалось с увеличением количества кубитов и вентилей, что негативно влияло на работу квантовых процессоров. Но теперь ученые предлагают новый подход.

«Теперь мы пошли дальше концепции настраиваемого ответвителя и продемонстрировали почти 99,9% точности для двух основных типов вентилей с двумя кубитами, известных как вентили Controlled-Z и вентили iSWAP», — говорит Уильям Д. Оливер, доцент кафедры электротехники. и информатика, сотрудник лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, директор Центра квантовой инженерии и заместитель директора Исследовательской лаборатории электроники, где находится группа инженерных квантовых систем. «Шлюзы с более высокой точностью увеличивают количество операций, которые можно выполнять, и большее количество операций приводит к реализации более сложных алгоритмов в более крупных масштабах».

Чтобы устранить вызывающие ошибки взаимодействия кубит-кубит, исследователи использовали более высокие уровни энергии ответвителя, чтобы нейтрализовать проблемные взаимодействия. В предыдущей работе такие энергетические уровни ответвителя игнорировались, хотя они вызывали существенные двухкубитовые взаимодействия.

«Лучшее управление и конструкция ответвителя — ключ к адаптации кубит-кубитового взаимодействия по нашему желанию. Это может быть реализовано путем разработки существующей многоуровневой динамики », — говорит Сун.

В квантовых компьютерах следующего поколения будут исправлены ошибки, а это означает, что будут добавлены дополнительные кубиты для повышения надежности квантовых вычислений.

«Ошибки Qubit можно активно устранять путем добавления избыточности», — говорит Оливер, указывая, однако, на то, что такой процесс работает только в том случае, если шлюзы достаточно хороши — выше определенного порога точности, который зависит от протокола исправления ошибок. «Самый мягкий порог сегодня составляет около 99 процентов. Однако на практике, чтобы жить с разумными уровнями аппаратной избыточности, требуется, чтобы точность гейта была намного выше, чем этот порог ».

По словам Оливер, устройства, использованные в исследовании, проведенном в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, сыграли фундаментальную роль в достижении продемонстрированного повышения точности операций с двумя кубитами.

«Изготовление устройств с высокой когерентностью — это первый шаг к реализации высокоточного управления», — говорит он.

Сун говорит, что «высокий уровень ошибок в двухкубитовых вентилях значительно ограничивает способность квантового оборудования запускать квантовые приложения, которые обычно трудно решить с помощью классических компьютеров, такие как квантово-химическое моделирование и решение задач оптимизации».

До сих пор на квантовых компьютерах моделировались только небольшие молекулы, и это моделирование можно было легко выполнить на классических компьютерах.

«В этом смысле наш новый подход к уменьшению ошибок двухкубитных вентилей является своевременным в области квантовых вычислений и помогает решить одну из наиболее критических проблем с квантовым оборудованием сегодня», — говорит он.