Основной проблемой, которая препятствует массовому внедрению квантовых компьютеров является то, что их фундаментальные единицы информации — кубиты — чрезвычайно капризны. В отличие от обычных битов, которые принимают только значения 0 или 1, кубиты могут существовать в комбинации этих двух состояний одновременно. Это свойство делает их невероятно полезными, но одновременно и очень уязвимыми для ошибок.
Одна из самых проблемных ошибок называется утечкой. Она происходит, когда кубит внезапно перескакивает на более высокий энергетический уровень, выходя из рабочего состояния. Такой кубит не только выпадает из вычислений, но и мешает соседним кубитам. Существующие методы коррекции квантовых ошибок не всегда справляются с утечками, а некоторые из них даже сами их провоцируют. Альтернативный подход — сдвиг частоты кубита — требует использования в квантовых компьютерах дополнительного оборудования, масштабировать которое очень сложно.
Команда под руководством Цзянь-Вэй Паня из Научно-технического университета Китая предложила довольно простое и при этом эффективное решение: возвращать «убежавшие» кубиты на правильный энергетический уровень с помощью микроволновых импульсов. Метод был испытан на специально созданном процессоре Zuchongzhi 3.2 с массивом из 97 кубитов, который включал как рабочие кубиты, хранящие квантовую информацию, так и вспомогательные, которые помогали обнаруживать и исправлять ошибки.
Ученые намеренно вызывали утечку, переводя кубиты на более высокие энергетические уровни. Затем они применяли микроволновые импульсы, чтобы вернуть рабочие кубиты в вычислительное состояние без нарушения расчетов. Одновременно другой импульс сбрасывал вспомогательные кубиты, полностью устраняя ошибку. В целом такой подход оказался более чем в 70 раз эффективнее работы квантовой системы без подавления утечек.
Метод тестировался на малых и больших участках массива, и результаты показали: чем больше система, тем надежнее она работает. Иными словами, добавление кубитов снижало частоту ошибок. Это считается одной из главных целей в развитии квантовых вычислений, ведь раньше увеличение числа кубитов обычно лишь усугубляло существующие проблемы.
«Мы получили жизнеспособную архитектуру с полностью микроволновым управлением для подавления критических ошибок в масштабе», — пишут авторы работы. Это решение способно приблизить к воплощению в жизнь ключевую цель квантовых технологий — создание вычислительных машин, которые будут не просто демонстрировать эффектные эксперименты, но стабильно выполнять сложнейшие вычисления в реальных условиях.
Ранее физики воплотили квантовые технологии при помощи неуправляемых молекул.