Будущее квантовых вычислений напрямую связано с тем, насколько эффективно учёные смогут справиться с главной проблемой — ошибками кубитов. Квантовые биты крайне чувствительны к шуму и внешним воздействиям, поэтому для надёжной работы требуется кодирование и коррекция ошибок. На практике это приводит к тому, что для одного логического кубита приходится использовать десятки и даже сотни физических кубитов, что делает построение масштабного квантового компьютера инженерным вызовом огромных масштабов.
Недавний прорыв в Сиднейском университете изменил представление о том, сколько физических ресурсов необходимо для таких систем. Исследователи впервые продемонстрировали возможность построения квантового логического вентиля на основе так называемых кодов Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP). Эти коды получили название «Розеттский камень квантовых вычислений», так как позволяют преобразовывать непрерывные квантовые колебания в дискретные состояния, удобные для хранения и обработки информации. Такой подход упрощает обнаружение ошибок и радикально сокращает число физических кубитов, необходимых для одного логического элемента.
В эксперименте использовался один ион иттербия, удерживаемый в ловушке Пауля. Лазерные системы позволили точно управлять его квантовыми колебаниями в трёх измерениях, что дало возможность закодировать кубиты GKP и создать условия для их запутывания. Учёные показали, что в пределах одного атома можно хранить два корректируемых логических кубита и управлять их взаимодействием, реализуя квантовый вентиль. Это стало первым экспериментальным подтверждением универсальных операций для кубитов GKP, ранее остававшихся преимущественно теоретической моделью.
Ключевая особенность эксперимента заключается в том, что логические операции проводились не над группой атомов или массивом кубитов, а над одним-единственным ионом, где колебания в разных измерениях выступали в роли отдельных квантовых состояний. Запутав два таких состояния, исследователи смогли смоделировать полноценный логический вентиль, используя минимальное количество физического оборудования. Это открывает путь к созданию более компактных и эффективных квантовых процессоров, где основной упор делается на качество коррекции ошибок, а не на количество кубитов.
Работа имеет огромное значение для будущего квантовых технологий. Если ранее масштабирование предполагало экспоненциальный рост числа кубитов и сложность инженерной реализации, то теперь открывается возможность создавать квантовые вычислительные устройства на основе новых принципов кодирования. Универсальные вентили, построенные с использованием кодов GKP, демонстрируют, что можно одновременно сократить аппаратные затраты и повысить устойчивость к ошибкам.
В перспективе такие разработки позволят строить квантовые компьютеры, способные выполнять задачи, недостижимые для классических машин. Среди потенциальных применений: моделирование химических реакций на атомном уровне, проектирование новых материалов и лекарств, решение сложнейших задач оптимизации, а также создание новых алгоритмов машинного обучения. Всё это станет возможным лишь в том случае, если будут найдены эффективные способы работы с нестабильной квантовой информацией.
Эксперимент Сиднейского университета показывает, что мы находимся на правильном пути. «Розеттский камень» кода GKP становится инструментом, который переводит квантовые вычисления из области теории в практическую плоскость. Возможность реализовать универсальные квантовые операции с использованием минимального числа физических элементов знаменует важный шаг к тому, чтобы квантовые компьютеры стали реальностью не только в лабораториях, но и в индустрии.