Исследователи из Йельского университета впервые с помощью процесса, известного как квантовая коррекция ошибок, существенно увеличили время жизни квантового бита. Это долгожданная цель и одна из самых сложных задач в области квантовой физики. «Хайтек» рассказывает главное.
Эксперимент, проведенный под руководством Майкла Деворета из Йельского университета, доказывает, что квантовая коррекция ошибок работает на практике. Это произошло спустя десятилетия после того, как физики предложили его теоретические основы. Квантовая коррекция ошибок — это процесс, предназначенный для сохранения квантовой информации в неизменном виде в течение более длительного периода времени, чем если бы та же информация хранилась в аппаратных компонентах без каких-либо исправлений.
Что такое кубиты?
Информация в классических вычислениях поступает в виде битов, соответствующих единицам или нулям. В квантовых вычислениях она хранится в специальных устройствах с квантовыми свойствами, которые известны как квантовые биты или «кубиты».
IBM 7 Qubit Device. Фото: Flickr
В лаборатории Йельского университета их создают из сверхпроводящих цепей, охлаждаемых до температур в 100 раз ниже, чем в открытом космосе. Каждый кубит представляет единицу или ноль, или, как ни странно, и единицу, и ноль одновременно. Этот «квантовый параллелизм» — одно из свойств, которое позволяет квантовым компьютерам выполнять вычисления. Потенциально — на несколько порядков быстрее, чем это возможно на классических суперкомпьютерах.
В чем проблема квантовых вычислений?
Однако квантовые системы хрупки. Их преследует фундаментальное явление декогеренции — процесс, при котором информация, хранящаяся в кубитах, быстро теряет свои квантовые свойства в результате их взаимодействия с окружающей средой. Простыми словами любое вмешательство внешней среды мешает работе таких систем, делая их невозможными. Это не дает реализовать квантовые компьютеры повсеместно.
Решение есть, но не все так просто
Квантовая коррекция ошибок, которую теоретически открыли в 1995 году, предлагает средства для борьбы с этой декогерентностью. Он защищает квантовый бит информации, кодируя его в системе большего размера, чем в принципе необходимо для представления одного кубита.
IBM 16 Qubit Processor. Фото: Flickr
Однако эта более крупная система делает влияние окружающей среды еще более агрессивным, а закодированный кубит — более хрупким. Из-за этого эффекта и осложнений, связанных с дополнительными компонентами для исправления ошибок, этот процесс не продливал срок службы квантового бита на практике. Исследователи говорят, что на самом деле безубыточность даже с неисправленным кубитом — редкое событие. Вопреки теоретическим обещаниям, в большинстве экспериментов исправление ошибок ускоряет декогерентность квантовой информации.
Что сделали ученые?
В ходе эксперимента ученые впервые показали, что увеличение избыточности системы, активное обнаружение и исправление квантовых ошибок обеспечило повышение устойчивости квантовой информации. «Наш эксперимент доказывает, что квантовая коррекция ошибок — это реальный практический инструмент. Это больше, чем просто демонстрация принципа», — объясняет физик.
Группе ученых удалось более чем удвоить время жизни квантовой информации. Их кубит с исправлением ошибок жил 1,8 миллисекунды — в квантовых вычислениях все происходит быстро.
Они достигли результатов, используя код исправления ошибок, который изобретен в 2001 году. «Да, в нашей области наблюдаются задержки между теоретическими предложениями и их практической реализацией», — объясняет Майкл Деворет.
Иллюстрация кубитов. Предоставлено: Йельский университет
Владимир Сивак, ведущий автор статьи, заявил, что производительность частично достигли за счет использования агента машинного обучения. Он настроил процесс исправления ошибок для улучшения результата.
«Нет какого-то одного одного прорыва, который позволил нам получить такой результат. На самом деле, это комбинация различных технологий, разработанных за последние несколько лет. Мы объединили в этом эксперименте», — объяснил студент лаборатории Деворета, а сейчас научный сотрудник Google.
Почему так важно?
Практический успех квантовых вычислений будет зависеть от возможности создавать квантовые биты чрезвычайно высокого качества с использованием квантовой коррекции ошибок. Новый эксперимент подтверждает краеугольное предположение о квантовых вычислениях; удваивая жизнь кубита, исследователи доказали ключевую теорию квантовой физики. «Это очень воодушевляет», — заключают авторы исследования.
Читать далее:
Найден способ снизить сахар в крови без уколов инсулина
Ученые считают, что форма Вселенной не такая, как все думают
Вертолет НАСА показал закат на Марсе. Он не похож на земной
Иллюстрация на обложке: geralt