Учёные создали квантовый логический вентиль на одном атоме, сократив число кубитов

Художественное изображение запутанного логического вентиля, созданного учёными Сиднейского университета. Автор: Эмма Хайд/Сиднейский университет

Для создания крупномасштабного работоспособного квантового компьютера учёным и инженерам необходимо преодолеть спонтанные ошибки, которые возникают при работе квантовых битов (кубитов).

Учёные кодируют эти строительные блоки квантовой информации, чтобы подавлять ошибки в других кубитах, позволяя меньшинству из них работать так, чтобы получать полезные результаты.

По мере роста числа полезных (или логических) кубитов количество требуемых физических кубитов увеличивается ещё больше. При масштабировании огромное количество кубитов, необходимых для создания полезной квантовой машины, становится инженерным кошмаром.

Теперь, впервые, квантовые учёные из Лаборатории квантового управления Сиднейского наноинститута продемонстрировали тип квантового логического вентиля, который радикально сокращает количество физических кубитов, необходимых для его работы.

Для этого они построили запутывающий логический вентиль на одном атоме, используя код коррекции ошибок, прозванный «Розеттским камнем» квантовых вычислений. Это название он заслужил потому, что преобразует плавные непрерывные квантовые колебания в чистые дискретные состояния, подобные цифровым, что облегчает обнаружение и исправление ошибок и, что важно, позволяет компактно кодировать логические кубиты.

Коды GKP: Розеттский камень для квантовых вычислений

Код Готсмана-Китаева-Прескилла (GKP) в течение многих лет предлагал теоретическую возможность значительного сокращения физического числа кубитов, необходимых для создания работающего «логического кубита», хотя и за счёт обмена эффективности на сложность, что делало коды очень трудными для управления.

Исследование, опубликованное в Nature Physics, демонстрирует это как физическую реальность, используя естественные колебания захваченного иона (заряженного атома иттербия) для хранения кодов GKP и впервые реализуя квантовые запутывающие вентили между ними.

Под руководством научного сотрудника Сиднейского университета доктора Тингрэя Тана учёные использовали своё превосходное управление гармоническим движением захваченного иона, чтобы преодолеть сложность кодирования кубитов GKP, продемонстрировав их запутанность.

«Наши эксперименты показали первую реализацию универсального набора логических вентилей для кубитов GKP», — сказал доктор Тан. — «Мы сделали это, точно контролируя естественные вибрации, или гармонические колебания, захваченного иона таким образом, что можем манипулировать отдельными кубитами GKP или запутывать их как пару».

Ведущий автор и аспирант Васили Матсос осматривает квантовое вычислительное устройство с ловушкой Пауля в Лаборатории квантового управления Сиднейского университета. Автор: Фиона Вольф/Сиднейский университет

Квантовый логический вентиль

Логический вентиль — это информационный переключатель, который позволяет компьютерам — квантовым и классическим — быть программируемыми для выполнения логических операций. Квантовые логические вентили используют запутанность кубитов для создания совершенно иной операционной системы по сравнению с классическими вычислениями, что лежит в основе большого потенциала квантовых компьютеров.

Первый автор Васили Матсос, аспирант Школы физики и Сиднейского наноинститута, сказал: «По сути, мы храним два корректируемых логических кубита в одном захваченном ионе и демонстрируем запутанность между ними.

Мы сделали это с помощью программного обеспечения квантового управления, разработанного Q-CTRL, стартапом, выделившимся из Лаборатории квантового управления, с использованием физической модели для проектирования квантовых вентилей, которые минимизируют искажение логических кубитов GKP, чтобы они сохраняли тонкую структуру кода GKP при обработке квантовой информации».

Доктор Тингрэй Тан (слева) и его аспирант Васили Матсос осматривают ловушку Пауля, использованную в этом эксперименте в Лаборатории квантового управления Сиднейского наноинститута. Автор: Фиона Вольф/Сиднейский университет

Веха в квантовых технологиях

Господин Матсос запутал две «квантовые вибрации» одного атома. Захваченный атом вибрирует в трёх измерениях. Движение в каждом измерении описывается квантовой механикой и считается «квантовым состоянием». Запутав два из этих квантовых состояний, реализованных как кубиты, господин Матсос создал логический вентиль, используя всего один атом, что стало вехой в квантовых технологиях.

Этот результат значительно сокращает квантовое оборудование, необходимое для создания этих логических вентилей, которые позволяют программировать квантовые машины.

Доктор Тан сказал: «Коды коррекции ошибок GKP давно обещали снижение требований к аппаратному обеспечению для решения проблемы ресурсных затрат при масштабировании квантовых компьютеров. Наши эксперименты достигли ключевой вехи, продемонстрировав, что эти высококачественные квантовые управления предоставляют ключевой инструмент для манипулирования более чем одним логическим кубитом.

Продемонстрировав универсальные квантовые вентили с использованием этих кубитов, мы заложили основу для работы над крупномасштабной обработкой квантовой информации высокоэффективным с точки зрения аппаратного обеспечения способом».

В трёх экспериментах, описанных в статье, команда доктора Тана использовала один ион иттербия, содержащийся в так называемой ловушке Пауля. Для этого применяется сложный массив лазеров при комнатной температуре, чтобы удерживать единственный атом в ловушке, позволяя контролировать и использовать его естественные вибрации для создания сложных кодов GKP.

Это исследование представляет собой важную демонстрацию того, что квантовые логические вентили могут быть разработаны с уменьшенным физическим числом кубитов, повышая их эффективность.

Больше информации: Matsos, V. et al. Universal quantum gate set for Gottesman-Kitaev-Preskill logical qubits, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03002-8

Источник: University of Sydney