Разработана новая архитектура для квантовых процессоров, исправляющая ошибки

Квантовые процессоры с коррекцией ошибок для фермионов. Автор: Создано с помощью ИИ

Международная исследовательская группа под руководством Роберта Отта и Ханнеса Пичлера разработала новую архитектуру для квантовых процессоров, специально предназначенную для моделирования фермионов — частиц, таких как электроны. Метод может быть реализован с использованием уже доступных сегодня технологий.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Фермионы представляют собой фундаментальный класс частиц в физике. К ним относятся электроны, протоны и нейтроны — строительные блоки всей материи. Они подчиняются так называемому принципу Паули, согласно которому два фермиона никогда не могут занимать точно одно и то же квантовое состояние. Это поведение определяет основные свойства материи, такие как структура атомов или поведение электронов в материалах.

Команда из Департамента теоретической физики Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук (IQOQI) показывает, как нейтральные фермионные атомы в оптических ловушках могут быть использованы для эффективного воспроизведения сложных свойств молекул и материалов.

Используя отдельные нейтральные атомы, которые сами являются фермионными частицами, фермионные свойства реализуются непосредственно в аппаратном обеспечении.

Коррекция ошибок в фермионных системах

Одной из проблем, которая оставалась нерешенной в этом типе квантовых процессоров, была интеграция коррекции ошибок. Классические стратегии из квантовых вычислений сталкиваются здесь с ограничениями, поскольку количество частиц в атомных системах обычно фиксировано — это требование исключает многие устоявшиеся методы коррекции.

Новое исследование преодолевает это препятствие с помощью инновационной концепции: так называемой «фермионной ссылки», состоящей из дополнительных атомов.

«Эта фермионная ссылка позволяет осуществлять контролируемый обмен частицами между процессором и ссылкой, что позволяет реализовать эффективные суперпозиции различных чисел частиц. Это делает возможным исправление ошибок даже в системах с фиксированным количеством частиц», — говорит ведущий автор исследования Роберт Отт.

Ошибки сокращены на порядок

В своей работе исследователи демонстрируют, как эта архитектура может быть использована для построения фундаментальных строительных блоков для отказоустойчивых вычислений. Они также показывают, что распространенные типы ошибок — особенно фазовые ошибки — могут быть идентифицированы и исправлены с высокой эффективностью. В симуляциях вероятность ошибок была снижена на порядок.

«Эта работа открывает путь к более точным и масштабируемым фермионным квантовым компьютерам с использованием технологий, которые уже доступны сегодня», — говорит Ханнес Пичлер, возглавляющий исследовательскую группу.

«Это открывает новые перспективы для моделирования сложных квантово-физических систем, особенно в химии и материаловедении».

Больше информации: Robert Ott et al, Error-Corrected Fermionic Quantum Processors with Neutral Atoms, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/zkpl-hh28

Источник: University of Innsbruck

ИИ: Это значительный шаг вперед в квантовых вычислениях, особенно учитывая, что метод использует уже существующие технологии. Возможность эффективно исправлять ошибки в системах с фиксированным количеством частиц открывает новые горизонты для практического применения квантовых симуляторов в материаловедении и химии.