В отличие от обычных компьютеров, оперирующих нулями и единицами, квантовые машины используют состояния, которые являются одновременно и нулем, и единицей. Эти состояния ведут себя как волны: при вычислениях варианты, ведущие к правильному ответу, усиливаются, а неверные — подавляются. Благодаря этому квантовый компьютер способен перебирать множество возможных решений одновременно, тогда как обычный проверяет их по очереди.
Однако у этих перспективных машин есть серьезная проблема. Квантовые состояния чрезвычайно хрупки: малейшие колебания температуры, электромагнитный шум от соседнего оборудования или едва заметные вибрации могут разрушить вычислительный процесс. Поэтому технология квантовой коррекции ошибок, которая обнаруживает сбои и исправляет их, критически важна для правильной работы квантового компьютера.
За многие годы ученые разработали множество методов коррекции, но все они упирались в потолок точности, не позволявший приблизиться к теоретическому пределу — так называемой границе хеширования. Из-за этого достичь сверхвысокой точности, необходимой для масштабных квантовых вычислений, не удавалось.
Команда специалистов Токийского института науки под руководством доцента Кенты Касаи обнаружила, что в традиционных схемах квантовых компьютеров существует встроенный дефект: в процессе вычислений сама информация провоцирует ошибки, и часть из них неизбежно сохраняется даже в идеальных условиях. Ученые разработали новый механизм, устраняющий именно этот источник сбоев, и таким образом создали метод коррекции ошибок, который почти достигает теоретического предела точности.
Важное преимущество нового подхода — скорость. Традиционные методы требуют громоздких вычислений для исправления ошибок, что делает их непрактичными при увеличении масштаба системы. Новый метод работает иначе: даже при значительном увеличении числа компонентов, время на коррекцию почти не растет. Сочетание предельной точности и высокой вычислительной эффективности устраняет одно из главных препятствий на пути к практическому внедрению квантовых компьютеров.
«Работая над кодами коррекции ошибок, я часто замечаю мелочи, которые ведут себя не совсем так, как могли бы, — рассказывает Кента Касаи. — Прогресс в исследованиях редко достигается крупными прорывами. Чаще он вырастает из внимательного наблюдения, терпения и готовности пересматривать даже общепринятые предположения».
Если технологию удастся внедрить, она откроет путь к созданию крупномасштабных квантовых компьютеров с миллионами кубитов. А это приблизит будущее, в котором квантовые технологии будут применяться на практике: в разработке лекарств, защищенных коммуникациях и климатическом моделировании.
Ранее физики воплотили квантовые технологии при помощи неуправляемых молекул.