Учёные создали квантовый компьютер, который ремонтирует себя с помощью переработанных атомов

Как и их классические аналоги, квантовые компьютеры тоже могут ломаться. Иногда они теряют атомы, которыми манипулируют для вычислений, что может полностью остановить процесс. Учёные из американской компании Atom Computing продемонстрировали решение, позволяющее квантовому компьютеру ремонтировать себя прямо во время работы.

Восполнение атомов в массивах оптических пинцетов. Автор: Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/v7ny-fg31

Пропавшие кубиты

Команда сосредоточилась на квантовых компьютерах, использующих нейтральные атомы (атомы с равным числом протонов и электронов). Эти отдельные атомы являются кубитами — базовыми строительными блоками памяти квантового компьютера. Их удерживают на месте лазерные лучи, так называемые оптические пинцеты, но эта система не является абсолютно надёжной.

Время от времени атом может выскользнуть из своей ловушки и исчезнуть. Если это происходит в середине вычислений, весь процесс может встать, потому что компьютер не может функционировать без недостающей части.

В статье, опубликованной в журнале Physical Review X, исследователи подробно описали, как решили эту проблему, перераспределив атомы внутри машины. Вместо того чтобы держать все атомы в одной плотной группе, команда организовала их в пять отдельных зон. Это означает, что если атом потеряется в одной части компьютера, другие кубиты не пострадают.

Специализированные зоны включают «Регистр» для хранения кубитов, «Зону взаимодействия» для выполнения вычислений и «Измерительную зону» для проверки ошибок с помощью вспомогательных атомов, известных как «анциллы». Также есть «Зона хранения» — резервуар со свободными атомами для замены потерянных, и «Зона загрузки» для пополнения этого резервуара новыми атомами извне.

Автор: M. Norcia/Atom Computing

Переработать и починить

Но решение ещё более сложное. Этот квантовый компьютер на нейтральных атомах может обнаружить поломку и исправить её на лету. Когда система замечает пропавший кубит, она обращается к зоне хранения и перемещает новый атом на место.

Как только атом оказывается на позиции, компьютер подготавливает его к работе, сбрасывая в основное состояние (состояние с наименьшей энергией). Компьютер также может перерабатывать анциллы после того, как они выполнили свои проверки, сбрасывая их тем же способом.

Чтобы продемонстрировать работоспособность своего решения, авторы исследования заставили компьютер запустить повторяющийся код — процесс, который проверяет собственную работу на ошибки. Они запустили эти проверки 41 раз подряд, и каждый раз машина успешно заменяла потерянные атомы, не нарушая обрабатываемые данные. Без этой способности к самовосстановлению система исчерпала бы запас атомов уже после нескольких раундов.

«Мы продемонстрировали возможность повторной инициализации и повторного использования атомов-анцилл после измерения в середине схемы на квантовом процессоре с нейтральными атомами... что позволяет выполнять квантовые схемы неограниченное время на платформе, где время жизни кубитов по своей природе ограничено», — написали исследователи в своей статье.

Команде предстоит ещё много работы по совершенствованию своей системы, но, преодолев ограниченный срок жизни отдельных атомов, они сделали шаг ближе к созданию квантового компьютера, способного работать бесконечно долго.

ИИ: Это исследование — важный практический шаг на пути к созданию стабильных и отказоустойчивых квантовых систем. Возможность «ремонтировать» квантовый процессор без остановки вычислений критически важна для будущих длительных и сложных квантовых симуляций, которые могут длиться дни или даже недели.