Симметрия упрощает анализ квантовых шумов для коррекции ошибок

Исследователи из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса и самого университета совершили прорыв в характеристике квантовых шумов — ключевом шаге на пути к надежному управлению ошибками в квантовых вычислениях.

Результаты работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, позволяют существенно продвинуться в решении давней проблемы создания практичных квантовых компьютеров.

«Современные модели обычно слишком упрощены, чтобы уловить, как квантовый шум влияет на вычисления на реальном оборудовании», — пояснил Грегори Кироз, старший физик APL. — «Наша работа пытается преодолеть этот разрыв».

Проблема пространства и времени

Многие упрощенные модели могут фиксировать лишь отдельные случаи шума, изолированные в один момент времени и в одном месте процессора. Однако наиболее значительные источники шума распространяются в пространстве и времени.

«Учет воздействия шума на систему во времени и в нескольких местах действительно важен для успешной реализации квантовых кодов коррекции ошибок», — отметил Кироз.

Использование симметрии

Чтобы преодолеть сложность растущих квантовых систем, Кироз и соавтор Уильям Уоткинс использовали свойство физики, помогающее упрощать сложные задачи — симметрию.

Уоткинс применил математический метод, называемый разложением по корневым пространствам, который радикально упрощает представление и анализ системы. Этот метод ранее использовался в других областях квантовой механики, но для характеристики квантового шума его применили впервые.

Применение этой техники позволяет представить квантовую систему в виде лестницы, где каждая ступенька служит дискретным состоянием системы. Исследователи могли затем применять шум к системе, чтобы увидеть, вызывает ли он переход системы с одной «ступеньки» на другую.

«Это позволяет нам классифицировать шум на две разные категории, что говорит нам, как его смягчить», — объяснил Уоткинс.

Эта работа внесет вклад в несколько аспектов создания устойчивых к ошибкам квантовых систем, отметил Кироз: «Возможность охарактеризовать, как шум влияет на квантовые системы, помогает нам не только проектировать лучшие системы на физическом уровне, но и разрабатывать алгоритмы и программное обеспечение, учитывающие квантовый шум».