Учёные устраняют утечки в квантовых компьютерах с помощью микроволновых импульсов

Учёные разработали новый метод исправления распространённых ошибок в квантовых вычислениях, что может открыть путь к созданию более надёжных систем.

Квантовые компьютеры — это мощные, пока в основном экспериментальные машины, которые используют принципы квантовой механики для решения сложных задач гораздо быстрее, чем самые быстрые современные суперкомпьютеры. Однако они пока не идеальны.

Проблема утечки

Фундаментальные единицы информации в этих системах (кубиты) невероятно хрупки. В отличие от битов обычных компьютеров, которые имеют только два значения (0 или 1), квантовые биты могут существовать в комбинации состояний одновременно. Но это свойство делает их подверженными ошибкам, таким как «утечка». Это происходит, когда кубит внезапно перескакивает на более высокий энергетический уровень, выходя из своего рабочего состояния, что исключает его из расчёта и мешает работе соседних кубитов.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, учёные раскрыли способ «затыкать» эти утечки до того, как они накопятся и обрушат систему.

Один из самых распространённых способов борьбы с ошибками в квантовых компьютерах — это процесс, называемый квантовой коррекцией ошибок (ККО). Однако некоторые операции ККО и само аппаратное обеспечение также могут вызывать утечки. Другой подход — сдвиг частоты кубита, но он требует дополнительного сложного оборудования, которое трудно масштабировать.

Цзянь-Вэй Пань из Научно-технического университета Китая и его коллеги разработали новый способ исправления этих ошибок, «подталкивая» протекающие кубиты обратно на их правильные энергетические уровни с помощью микроволновых импульсов.

Ликвидация утечек

Команда протестировала свой метод на специально созданном процессоре «Цзучунчжи 3.2» с массивом из 97 кубитов, включая данные кубиты (которые хранят квантовую информацию для вычислений) и вспомогательные кубиты (помощники для обнаружения и исправления ошибок).

Исследователи намеренно вызывали утечку, переводя кубиты на более высокие энергетические уровни. Затем они направляли микроволновые импульсы, чтобы удалить ошибку из кубитов данных, позволяя им вернуться в вычислительное состояние, не прерывая расчёты. Одновременно они сбрасывали вспомогательные кубиты другим микроволновым импульсом, чтобы полностью очистить ошибку. В целом этот метод устранял ошибки утечки более чем в 70 раз эффективнее, чем работа системы без подавления утечек.

Этот подход был протестирован на малых и больших участках массива. Результаты показали, что чем больше система, тем надёжнее становится квантовый компьютер. Другими словами, если добавить больше кубитов, уровень ошибок снижается. Это считается одной из главных целей в квантовых вычислениях. До этого эксперимента добавление кубитов обычно только усугубляло проблему.

«Наши результаты демонстрируют жизнеспособность полностью микроволновых архитектур управления для подавления критических ошибок в масштабе, прокладывая путь к более продвинутым реализациям квантовой коррекции ошибок», — пишут исследователи в своей статье.

Квантовые вычисления — одна из самых перспективных технологий нашего времени. Интересно, что в 2024 году компания Google заявила о создании процессора с рекордными 70 кубитами, а IBM представила дорожную карту по достижению 1000-кубитного процессора к 2025 году. Новый метод подавления утечек может стать ключевым для стабильной работы таких масштабных систем, приближая эпоху практического квантового превосходства.