Квантовые операции с бозонными кодами ускорили более чем в тысячу раз
Исследователи Чалмерского технологического университета в Швеции разработали теоретический метод, который позволяет выполнять широкий класс квантовых операций более чем в тысячу раз быстрее, чем при нынешних подходах. Ключевая идея — завершать операцию за один управляющий цикл вместо тысяч последовательных. Работа опубликована в Physical Review Letters; экспериментальные испытания пока обсуждаются с коллегами в Чалмерсе.
Почему скорость так важна для квантовых вычислений
Квантовые компьютеры обрабатывают информацию принципиально иначе, чем классические, и теоретически способны решать задачи, недоступные для традиционных машин: в разработке лекарств, моделировании материалов, криптографии и логистике. Главный барьер — крайняя чувствительность квантовых систем к внешним помехам: тепловым шумам, электромагнитным полям и другим воздействиям. Чем дольше длится вычислительная операция, тем больше вероятность того, что ошибки накопятся и исказят результат.
Один из перспективных способов защиты — так называемые бозонные квантовые коды. В них информация хранится не в отдельном кубите, а в состояниях микроволнового поля внутри сверхпроводящих резонаторов — по сути, в коллективных колебаниях многих фотонов. Этот подход обеспечивает лучшую устойчивость к определённым типам ошибок, однако создание и управление такими состояниями традиционными методами требует проведения системы через тысячи повторяющихся управляющих циклов — и занимает непозволительно много времени.
Один цикл вместо тысяч
Исследователи Лэй Ду и Таньюй Хуан предложили принципиально другой подход, объединив два инструмента: квантовые решёточные гейты и Floquet-управление.
Квантовые решёточные гейты — недавно предложенный набор элементарных операций для управления бозонными состояниями. Они задействуют полную нелинейность джозефсоновских переходов — нелинейных сверхпроводящих элементов, из которых строятся квантовые схемы. Это позволяет реализовать гораздо более сложные преобразования за один шаг.
Floquet-управление — метод, при котором квантовой системой управляют с помощью периодических управляющих сигналов. Прежние Floquet-методы для бозонных кодов требовали многих циклов. Новый подход реализует квантовые решёточные гейты непосредственно за один период управляющего сигнала.
Результат: широкий класс операций — создание бозонных квантовых состояний «с нуля» и реализация однокубитных логических гейтов с высокой точностью — выполняется в тысячи раз быстрее. Время, за которое накапливаются критичные ошибки, сокращается пропорционально.
Что говорят авторы и каковы следующие шаги
«Наш метод показывает, что разнообразные квантовые операции над бозонными состояниями можно выполнять в рамках одного управляющего цикла», — поясняет Хуан.
«Наши результаты устраняют одно из главных узких мест в этой области: как быстро и надёжно создавать и контролировать корректирующие квантовые состояния, которые могут сыграть важную роль в будущих квантовых компьютерах», — добавляет Ду.
Важное достоинство метода — совместимость с уже существующими платформами сверхпроводящих квантовых схем. Именно такая платформа используется в Чалмерсе, где ведётся разработка 100-кубитного квантового компьютера. Авторы уже ведут переговоры с коллегами о практической демонстрации метода — когда именно она состоится, пока не сообщается.
Читайте также по теме: новом представлении математического аппарата квантовой механики.
