Довгоочікуваний прорив: квантові обчислення стали більш надійними

27.03.2023


Учені досягли успіху в збереженні квантової інформації.
Дослідники з Єльського університету (США) вперше за допомогою процесу, відомого як квантова корекція помилок, істотно збільшили час життя квантового біта. Це довгоочікувана мета і одне з найскладніших завдань у квантовій фізиці. Теоретичні засади квантової корекції помилок було закладено майже 30 років тому, проте тільки зараз їх вдалося успішно застосувати на практиці. Результати опубліковані в Nature.

Quantum computing


Квантова корекція помилок — це процес, призначений для збереження квантової інформації. Інформація в класичних обчисленнях надходить у вигляді бітів, що відповідають одиницям або нулям. У квантових обчисленнях інформація існує у квантових бітах, або кубітах. Кубіти можуть створюватися різними способами. У цьому дослідженні — з надпровідних ланцюгів, що охолоджуються до температур у 100 разів нижчих, ніж температура відкритого космосу.
Кожен кубіт може представляти одиницю, нуль, або, як не дивно, і одиницю, і нуль одночасно. Цей «квантовий паралелізм» дає змогу квантовим комп’ютерам виконувати обчислення на кілька порядків швидше, ніж здатні класичні суперкомп’ютери.


Однак квантові системи крихкі. Ефективну роботу квантових комп’ютерів зупиняє явище декогеренції — інформація, що зберігається в кубітах, швидко втрачає свої властивості внаслідок взаємодії з навколишнім середовищем. Квантові обчислення йдуть за допомогою частинок. Однак із частинок складаються не тільки кубіти, а й усе навколо, включно з матеріалами, з яких зроблено комп’ютер, повітря тощо. Кубіти швидко починають взаємодіяти не тільки один з одним, а й із середовищем. Частинки, що «влізли» в обчислення, істотно псують точність — кубіт змінює свої властивості. Це одна з фундаментальних проблем на шляху до квантового комп’ютера, яку намагаються вирішити вчені всього світу.


Квантову корекцію помилок було теоретично відкрито 1995 року, вона пропонує засоби для боротьби з декогерентністю, використовуючи надмірність. Тобто кодує кубіт у системі більшого розміру, зменшуючи тим самим її здатність взаємодіяти з тим, з чим не потрібно.
Авторам нового дослідження вдалося більш ніж подвоїти час життя квантової інформації. Їхній кубіт із виправленням помилок жив 1,8 мілісекунди (так, у квантовому світі все відбувається швидко). Результату допоміг домогтися новий алгоритм машинного навчання, доданий до фізичних розрахунків: вміючи аналізувати масиви даних, недоступні людині, він налаштував процес виправлення помилок