Исследователи из Йельского университета (США) впервые с помощью процесса, известного как квантовая коррекция ошибок, существенно увеличили время жизни квантового бита. Это долгожданная цель и одна из самых сложных задач в квантовой физике. Теоретические основы квантовой коррекции ошибок были заложены почти 30 лет назад, однако только сейчас их удалось успешно применить на практике. Результаты опубликованы в Nature.
Квантовая коррекция ошибок — это процесс, предназначенный для сохранения квантовой информации. Информация в классических вычислениях поступает в виде битов, соответствующих единицам или нулям. В квантовых вычислениях информация существует в квантовых битах, или кубитах. Кубиты могут создаваться разными способами. В этом исследовании — из сверхпроводящих цепей, охлаждаемых до температур в 100 раз ниже, чем температура открытого космоса.
Каждый кубит может представлять единицу, ноль, или, как ни странно, и единицу, и ноль одновременно. Этот «квантовый параллелизм» позволяет квантовым компьютерам выполнять вычисления на несколько порядков быстрее, чем способны классические суперкомпьютеры.
Однако квантовые системы хрупки. Эффективную работу квантовых компьютеров останавливает явление декогеренции — информация, хранящаяся в кубитах, быстро теряет свои свойства в результате взаимодействия с окружающей средой. Квантовые вычисления идут с помощью частиц. Однако из частиц состоят не только кубиты, но и все вокруг, включая материалы, из которых сделан компьютер, воздух и пр. Кубиты быстро начинают взаимодействовать не только друг с другом, но и со средой. «Влезшие» в вычисления частицы существенно портят точность — кубит меняет свои свойства. Это одна из фундаментальных проблем на пути к квантовому компьютеру, которую пытаются решить ученые всего мира.
Квантовая коррекция ошибок была теоретически открыта в 1995 году, она предлагает средства для борьбы с декогерентностью, используя избыточность. То есть кодирует кубит в системе большего размера, уменьшая тем самым ее способность взаимодействовать с тем, с чем не нужно.
Авторам нового исследования удалось более чем удвоить время жизни квантовой информации. Их кубит с исправлением ошибок жил 1,8 миллисекунды (да, в квантовом мире все происходит быстро). Результата помог добиться новый алгоритм машинного обучения, добавленный к физическим расчетам: умея анализировать массивы данных, недоступные человеку, он настроил процесс исправления ошибок.
Физики создали «червоточину» внутри квантового компьютера
IBM представила самый мощный в мире квантовый компьютер
Прорыв на пути к квантовому компьютеру: работающий кремниевый чип с шестью кубитами
Исторический момент: квантовые компьютеры достигли точности вычислений выше 99%