Американские, британские и японские физики создали квантовый компьютер Helios на базе 98 ионов бария. Он показал рекордно низкий уровень ошибок для базовых логических операций и может передавать квантовые данные между всеми кубитами системы, говорится в статье в журнале Nature.
Квантовые компьютеры на ионах считаются одними из самых точных. Их кубиты хорошо защищены от шумов, то есть случайных помех, которые портят результат вычислений. Но у такой технологии есть слабое место: с ростом числа кубитов становится все труднее сохранять высокую точность операций и быстро управлять всей системой.
Физики из компании Quantinuum предложили новую архитектуру ионного квантового процессора. В ее основе лежат три соединенные электромагнитные ловушки. Они образуют замкнутую схему, похожую на гоночную трассу. По ней движутся не машины, а охлажденные до сверхнизких температур ионы бария-137.
Внутри этой «трассы» есть специальный перекресток и участки, где ионы могут двигаться рядом друг с другом в разных направлениях. Такая схема позволяет сортировать частицы, менять их маршрут и подводить нужные ионы друг к другу для выполнения квантовых операций.
Это важно для работы с большим числом кубитов. В обычном компьютере данные хранятся в битах, которые принимают значения 0 или 1. В квантовом компьютере роль ячеек памяти выполняют кубиты. Они могут находиться в более сложных состояниях, поэтому в перспективе такие машины способны быстрее решать отдельные классы задач.
Первые испытания Helios показали, что компьютер выполняет операции с одиночными кубитами с точностью 99,9975%. Точность базовых операций с двумя кубитами достигла 99,92%. Именно двухкубитные операции особенно важны для квантовых вычислений, потому что они связывают кубиты между собой и позволяют запускать сложные алгоритмы.
По словам авторов работы, новая схема также дает возможность соединять между собой все кубиты системы. Для ионных квантовых компьютеров это серьезное преимущество, так как при увеличении числа кубитов обычно резко усложняется управление взаимодействием между ними.
Исследователи проверили Helios на нескольких задачах фундаментальной физики. В частности, компьютер использовали для моделирования поведения электронов в сверхпроводящих материалах. Такие задачи требуют огромных вычислительных ресурсов на классических суперкомпьютерах, а в некоторых случаях их практически невозможно просчитать напрямую.
Авторы считают, что новая архитектура приближает ионные квантовые компьютеры к практическому применению. Пока такие машины не заменяют обычные компьютеры, но могут стать инструментом для расчетов в физике, химии и материаловедении.
Работа опубликована в журнале Nature. В исследовании описан 98-кубитный квантовый компьютер Helios на базе ионов бария-137 и новой архитектуры соединенных электромагнитных ловушек.