Учёные впервые увидели, как ошибки «живут» во времени внутри квантового компьютера

Международная группа учёных под руководством доктора Кристины Джарматци из Университета Маккуори впервые создала полную картину того, как ошибки развиваются во времени внутри квантового компьютера. Это открытие может помочь сделать будущие квантовые машины значительно более надёжными.

Иллюстрация квантовой памяти. Автор: Кристина Джарматци

Исследователи обнаружили, что крошечные ошибки, преследующие квантовые компьютеры, не возникают случайно. Вместо этого они могут сохраняться, эволюционировать и даже связываться друг с другом в разные моменты времени. Команда опубликовала экспериментальные данные и код в открытом доступе, а полное исследование вышло в журнале Quantum.

«Мы можем думать об этом так, будто квантовые компьютеры сохраняют память об ошибках, которая может быть классической или квантовой в зависимости от того, как эти ошибки связаны», — говорит доктор Джарматци. — «Многие квантовые протоколы предполагают, что у квантовых компьютеров нет такой памяти (известной как марковская), но это просто не так».

Такое поведение является одним из ключевых препятствий на пути создания практичных крупномасштабных квантовых компьютеров.

Квантовый детектив: доктор Кристина Джарматци из Университета Маккуори возглавила команду, создавшую первую полную картину развития ошибок во времени в квантовых компьютерах. Автор: Кейт Филд

Как был достигнут прорыв

«Нам удалось реконструировать всю эволюцию квантового процесса в нескольких точках времени — это сделано впервые, — сказала доктор Джарматци. — Это позволяет нам видеть не только когда возникает шум, но и как он переносится во времени».

Прорыв открывает путь к более совершенным методам моделирования, прогнозирования и исправления ошибок в квантовых устройствах, включая не только сверхпроводящие чипы, но и системы с захваченными ионами и спиновыми кубитами.

Для этого команда провела серию экспериментов на передовых сверхпроводящих квантовых процессорах — часть в лаборатории Квинслендского университета, а часть через облачные квантовые компьютеры IBM. Новый метод решил ключевую проблему предыдущих попыток, позволив учёным «подготовить» систему после промежуточного измерения.

Значение для будущего квантовых вычислений

Исследование показало, что даже лучшие современные квантовые машины демонстрируют тонкие, но важные временные паттерны шума, включая квантовый шум от соседних кубитов на одном чипе. Понимание этих паттернов поможет в разработке лучших инструментов для характеризации и коррекции ошибок — важнейшего шага на пути к созданию надёжных отказоустойчивых квантовых компьютеров.

Квантовые компьютеры, в отличие от классических, оперируют кубитами, которые могут находиться в состоянии суперпозиции (одновременно и 0, и 1). Это даёт им огромную потенциальную вычислительную мощность для решения специфических задач, но делает их чрезвычайно чувствительными к внешним помехам, что и приводит к ошибкам, изучением которых и занялись учёные.

Больше информации: Multi-time quantum process tomography on a superconducting qubit, Quantum (2025). DOI: 10.22331/q-2025-12-02-1582

Источник: Macquarie University