Физики продемонстрировали квантовый код коррекции ошибок с кошачьими кубитами (кубиты в состоянии кота Шредингера) на сверхпроводниковой платформе. Они показали, что начальная ошибка в их системе достаточно мала для того, чтобы использовать коды коррекции, и применили код повторения, задействовав для него пять кошачьих кубитов, хотя прежде для такого требовались десятки кубитов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Квантовые коды коррекции ошибок помимо информационных кубитов (те, которые участвуют в вычислениях) требуют дополнительных (вспомогательных) кубитов, которые позволяют отслеживать и исправлять разные ошибки. Подробно о том, как работают коды коррекции и почему не все устройства подходят для их применения, мы писали в материале «Квантовый корректор».
Оба типа кубитов — и информационные, и вспомогательные — не обязаны находиться в обычном для двухуровневой системы состоянии — суперпозиции 0 и 1. Физики уже выяснили, что, например, кубиты в состоянии кота Шредингера (кошачьи кубиты) устойчивы к одному типу ошибок — ошибке переворота. В случае обычной кодировки (суперпозиция 0 и 1) эта ошибка приводит к тому, что состояние 0 переходит в состояние 1 и наоборот, в то время как с кошачьими кубитами такого не возникает.
Второй тип ошибки, который может испортить состояние кубита — это фазовые ошибки. Именно они с большей вероятностью возникают в кодах коррекции, которые используют кошачьи кубиты. Сфокусированность на одном типе ошибок дает больше возможностей при проектировании кода и самого вычислителя. Кроме того, удается сэкономить на вспомогательных кубитах.
В 2021 году физики из компании Amazon представили схему вычислителя с кошачьими кубитами и кодом коррекции, для которой они тщательно смоделировали все возникающие шумы. В новой же работе им удалось реализовать вариант предложенной схемы на платформе из сверхпроводников с использованием кода повторения. Авторам удалось подавить ошибки за цикл коррекции до 1,65 процента при использовании схемы с пятью информационными кубитами, хотя прежде для такого требовались десятки кубитов.
Помимо пяти кубитов, в которых хранится информация, код коррекции задействовал еще четыре дополнительных кубита. Информационные кубиты представляли собой копланарные волноводы-резонаторы, а роль вспомогательных кубитов (кубитов-анцилл) выполняли трансмоны. Регулируемая связь между ними позволила применять операцию контролируемого отрицания (CX gate), где управляющим кубитом служит анцилла. Комбинации CX-операторов необходимы для измерения состояний перед их коррекцией.
Помимо анцилл и кубитов-носителей информации авторы добавили в схему буферные моды, которые обеспечивали двухфотонные потери в информационном кубите. Несмотря на то, обычно диссипация рассматривается в негативном ключе, в случае кодов коррекции с использованием кошачьих состояний она позволяет ограничить размер подпространства, в котором происходят вычисления. Это позволяет стабилизировать информационные кубиты и снизить вероятность ошибок переворота.
Помимо уменьшения ошибок на этапе приготовления состояния, необходимо следить и за ошибками при операциях. В случае авторской системы значение имеет число фазовых ошибок, которые вносит оператор CX. Для уменьшения этого числа ученые использовали три уровня вспомогательного кубита в соответствии с частотой информационного — так вероятность кубита перейти в ошибочное состояние оказывается меньше.
Авторы меняли состояние информационного кубита и смогли измерить вероятность фазовых ошибок в реальной ситуации. Они подтвердили предположение о том, что с ростом числа фотонов эта вероятность растет, а сравнение работы кода на пяти и трех кубитах показало превосходство первого. Это говорит о том, что физический шум системы ниже допустимого и код повторения на нем работает корректно.
В будущем физики планируют в качестве вспомогательны кубитов тоже использовать кошачьи состояния — это позволит уменьшить ошибку за цикл до 0,5 процента.
Ученые и раньше умели исправлять ошибки логического кубита быстрее времени его декогеренеции, но использовали для этого только траснмоны и биномиальный код коррекции. А теоретическое моделирование показало, что небольшое изменение поверхностного кода коррекции позволяет использовать его для более шумных устройств.