«Кошачьи» кубиты сделали квантовый компьютер более отказоустойчивым

Физики из компании Amazon представили схему отказоустойчивого квантового компьютера, в котором реализован новый подход к квантовой коррекции ошибок. В основе архитектуры этого компьютера лежат «кошачьи» кубиты (находящиеся в квантовом состоянии кота Шредингера), обладающие высокой устойчивостью к переворачиванию битов. Препринт статьи опубликован на arXiv.org.

Создание квантового компьютера — это непростая задача. Проблема заключается в том, что квантовая система неизбежно контактирует с окружающей средой. При этом информация о квантовой системе, изначально закодированная в устройстве, просачивается в окружающую среду. Это явление называется декогеренцией. После декогеренции уже нельзя получить доступ ко всей информации об устройстве, наблюдая только за ним. Это значит, что происходит ошибка и часть информации теряется. Для того, чтобы построить надежный квантовый компьютер, нужно научиться сводить к минимуму такие ошибки.

Один из подходов — уменьшение количества ошибок логического элемента с использованием избыточного числа кубитов, или активная квантовая коррекция ошибок. Этот метод основан на естественном предположении, что если сравнить несколько копий одного и того же состояния и они будут отличаться между собой, то произошла ошибка, а в обратном случае все в порядке. Несмотря на некоторые трудности (в квантовой механике невозможно просто скопировать кубит), такой подход реализуем на практике. Но у него есть недостаток — необходимость использования дополнительных кубитов заметно увеличивает их общее количество, что делает задачу более сложной с точки зрения технической реализации.

Пассивная, или автономная, квантовая коррекция ошибок — это противоположный подход. Для его осуществления разрабатывают физические вычислительные системы, которые имеют внутреннюю устойчивость к ошибкам.

                Сфера Блоха для состояния котов Шредингера

Группа ученых из Amazon под руководством Фернандо Брандао (Fernando Brandão) разработала новую схему квантового компьютера, устойчивого к ошибкам. Они использовали «кошачьи» кубиты, или кубиты в квантовом состоянии кота Шредингера (cat state), то есть в суперпозиции когерентных состояний с противоположными фазами. Идея заключается в том, что после стабилизации «кошачьего» кубита ошибки с переворотом битов становятся чрезвычайно редкими, а ошибки переворота фазы — более частыми. А для того, чтобы защититься от ошибок переворота фазы, можно использовать активную коррекцию ошибок. В данном случае для активной коррекции ошибок использовался простейший код повторения на основе X, где X — матрица Паули.

Кубиты для хранения информации и вспомогательные кубиты (желтые и серые кружки на рисунке) кодировались как состояния кота Шредингера локализованных акустических мод резонаторов с фононными дефектами (PCDR). Для стабилизации использовалась двухфотонная подпитка от инженерного резервуара (обозначен как RESVR на рисунке). Считывание производилось с помощью трансмона.

Для выполнения логических операций на кубитах используются квантовые вентили. В более ранних работах было показано, что универсальный набор вентилей, включая вентили X, Z, CNOT и Тоффоли, может быть выполнен на «кошачьих» кубитах с использованием того же двухфотонного механизма возбуждения и потерь. Ключевой момент состоит в том, что эти вентили не только универсальны, но и не приводят к дополнительным переворотам битов. «Кошачьи» кубиты, между которыми осуществляется логическая операция, должны быть подключены у единому подпитывающему резервуару. Авторы исследования обнаружили, что такое подключение приводит к коррелированным ошибкам между ними. Если подключить больше четырех кубитов к одному резервуару, то эти помехи не будут скомпенсированы активной коррекцией ошибок. Это число и определило компоновку и возможности подключения архитектуры.

Идея использовать вместе состояния кота Шредингера и активную коррекцию ошибок не нова. Отличие этого исследования от предыдущих заключается в том, что ученые выполнили полное моделирование шума, включая углубленное исследование редких процессов переворота битов. Использование архитектуры, предложенной в работе, и активной коррекции ошибок, позволяет достичь логической ошибки 2,7×10-8, используя всего 9 кубитов кода данных — это улучшение более чем на пять порядков по сравнению с полностью незащищенными кубитами. Согласно оценке ученых, такая схема («кошачьи» кубиты и коды повторения) с чуть более чем двумя тысячами сверхпроводящих компонентов, используемых для стабилизации, могла бы создать сотню логических кубитов, способных надежно выполнить тысячу вентилей Тоффоли.