Квантовые компьютеры обрабатывают информацию, используя явление запутанности — особой связи между частицами, при которой изменение одной частицы мгновенно влияет на другие, независимо от расстояния между ними. Однако эта же «суперсила» делает квантовые системы крайне уязвимыми. Чтобы вынести квантовые компьютеры из лабораторий и внедрить их в повседневную жизнь, их сначала нужно сделать устойчивыми к ошибкам и помехам извне.
В своей работе команда физиков под руководством профессора Ю Хэ использовала ядерные спины атомов фосфора, внедренных в кремниевый кластер, в качестве носителей квантовой информации. Этот миниатюрный атомный чип, состоящий из четырех запутанных ядерных спиновых кубитов и одного электронного спинового кубита, функционирует как полноценный квантовый процессор.
«Нас вдохновляет сама мечта о квантовых вычислениях, — объясняет профессор Юй Хэ. — Чтобы квантовые компьютеры стали по-настоящему практичными, они должны достичь отказоустойчивости, а это значит, что проблемы на этом пути нужно сначала выявить и решить».
Для обнаружения ошибок ученые применили метод стабилизаторных измерений. Стабилизаторы — это математические правила, описывающие свойства, которыми должно обладать правильное квантовое состояние. Если измерения стабилизаторов отклоняются от ожидаемых значений, это указывает на наличие ошибки. Чтобы реализовать такую схему, ученые создали квантовую цепь с минимально возможным числом элементов: в ней два кубита несут информацию, а еще два служат для контроля и считывания ошибок.
Ключевым достижением китайских физиков стало то, что предложенный ими метод позволяет обнаруживать ошибки, не вызывая декогеренции — потери квантовой запутанности, а вместе с ней — и информации, которая хранилась в частицах. Кроме того, ученые обнаружили особый тип шума в системе, который можно использовать для упрощения будущей коррекции ошибок.
«Мы продемонстрировали, что кремниевая спиновая система способна выполнять квантовое обнаружение ошибок с помощью стабилизаторов, закладывая ключевой фундамент отказоустойчивых квантовых вычислений», — говорит профессор Хэ.
Следующая цель ученых — создать минимальный логический квантовый процессор, способный выполнять простые логические алгоритмы. Это станет важным шагом к внедрению квантовых компьютеров в обычную жизнь.
Ранее ученым впервые в истории удалось считать информацию с майорановских кубитов.