Учёные ускорили квантовые операции более чем в 1000 раз

Квантовые компьютеры по-прежнему крайне уязвимы к ошибкам и малейшим внешним помехам. Чем дольше выполняется квантовая операция, тем больше времени накапливается для этих ошибок. Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали метод, позволяющий выполнять широкий спектр сложных квантовых операций более чем в тысячу раз быстрее. Это достижение устраняет серьёзное препятствие в области и может приблизить квантовые вычисления к отказоустойчивости.

Квантовые компьютеры в перспективе способны преобразить такие сферы, как разработка лекарств, энергетика, криптография, искусственный интеллект и логистика. Однако прежде эти машины должны стать гораздо надёжнее.

Главная проблема в том, что квантовые вычисления могут нарушаться от чрезвычайно малых воздействий окружающей среды. Электрические шумы, космическая радиация и перегрев способны вносить ошибки во время обработки информации.

Традиционные компьютеры тоже подвержены ошибкам, но десятилетия развития позволили создать надёжные методы коррекции, которые быстро их обнаруживают и исправляют. Квантовые системы защитить гораздо сложнее, поскольку используемая в них информация чрезвычайно хрупка.

«Фундаментальные строительные блоки квантовых компьютеров, известные как кубиты, настолько чувствительны, что даже малейшее возмущение может заставить квантовое состояние отклониться от целевого, что приводит к потере информации. Если до момента коррекции накопится слишком много ошибок, вычисление может провалиться», — говорит Лэй Ду, исследователь прикладной квантовой физики в Технологическом университете Чалмерса в Швеции и ведущий автор теоретического исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters.

Чтобы сделать квантовые вычисления более устойчивыми и в конечном счёте отказоустойчивыми, исследователи изучают новые способы защиты квантовой информации от ошибок. Одна из перспективных стратегий использует так называемые бозонные квантовые коды.

Вместо того чтобы закреплять квантовую информацию за отдельными кубитами, этот подход хранит её в микроволновых полях внутри сверхпроводящих схем.

«Вместо хранения квантовой информации в отдельных кубитах бозонные коды кодируют информацию в микроволновых полях внутри сверхпроводящих схем. Этот подход, как было показано, обеспечивает более сильную защиту от определённых типов ошибок», — объясняет Танъю Хуан, исследователь квантовых технологий в Чалмерсе и соавтор исследования.

Работа с бозонными квантовыми кодами непроста. Создание и управление требуемыми квантовыми состояниями традиционно включало проведение квантовой системы через тысячи повторяющихся циклов управления.

Этот процесс может занимать considerable время, и каждый дополнительный цикл создаёт очередную возможность для внешних помех вмешаться в вычисление. В квантовых вычислениях скорость, таким образом, тесно связана с надёжностью.

Исследователи из Чалмерса Лэй Ду и Танъю Хуан предложили иную стратегию. Вместо того чтобы строить нужные квантовые состояния по маленьким фрагментам, их метод позволяет выполнять самые разные операции гораздо быстрее.

«Наш метод показывает, что разнообразные квантовые операции над бозонными состояниями можно выполнить за один цикл управления, а не за несколько тысяч циклов, которые требовались ранее. Это делает операции и быстрее, и эффективнее, снижая риск того, что помехи испортят информацию до завершения процесса. Это важный шаг к отказоустойчивым квантовым компьютерам», — говорит Лэй Ду.

Новый подход строится вокруг квантовых решёточных вентилей — недавно предложенного универсального набора квантовых вентилей, разработанного той же исследовательской командой.

Эти вентили действуют отчасти как ярлыки. Вместо длинной последовательности повторяющихся шагов управления они позволяют выполнить нужную квантовую операцию всего за один цикл управления. Это может сделать процесс быстрее, проще и менее уязвимым к ошибкам.

«Это можно представить как сборку большого замка из Lego. Вместо того чтобы собирать его кирпичик за кирпичиком и рисковать ошибками по пути, квантовые решёточные вентили действуют как готовые модули Lego, которые можно быстро и эффективно соединять», — говорит Танъю Хуан.

Техника особенно хорошо подходит для сверхпроводящих квантовых компьютеров, которые относятся к числу наиболее заметных технологий в международных усилиях по созданию крупномасштабных квантовых вычислений.

Технологический университет Чалмерса также использует сверхпроводящую технологию при разработке 100-кубитного квантового компьютера.

«Ключевое преимущество нашего подхода в том, что его можно реализовать на существующих платформах сверхпроводящих квантовых схем. Мы уже обсуждаем возможные экспериментальные реализации с коллегами в Чалмерсе и надеемся увидеть демонстрацию метода в ближайшем будущем», — говорит Танъю Хуан.

Исследователи утверждают, что работа решает центральную проблему области: эффективное создание и управление квантовыми состояниями, способными помогать исправлять ошибки.

«Наши результаты устраняют одно из главных узких мест в области: как быстро и надёжно создавать и контролировать корректирующие ошибки квантовые состояния, которые могут сыграть важную роль в будущих квантовых компьютерах», — говорит Лэй Ду.

Бозонные квантовые коды хранят квантовую информацию в состояниях, например, микроволновых или оптических резонаторов, а не в отдельных кубитах. Они считаются перспективным инструментом квантовой коррекции ошибок, поскольку обеспечивают встроенную защиту от определённых типов ошибок.

Для обработки хранимой информации нужны квантовые операции. Квантовые решёточные вентили — недавно предложенный набор базовых строительных блоков, которые можно использовать для управления бозонными квантовыми состояниями. Комбинируя и проектируя эти вентили, исследователи могут выполнять широкий спектр более сложных квантовых операций.

Один из методов реализации таких операций известен как управление Флоке, использующее периодические управляющие сигналы для воздействия на квантовую систему. Более ранние методы на основе Флоке, как правило, опирались на более медленные процессы с множеством повторяющихся циклов управления. Подход, разработанный в Чалмерсе, позволяет вместо этого выполнять квантовые решёточные вентили напрямую за один цикл управления, делая некоторые операции более чем в тысячу раз быстрее.

Научная статья «Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates» опубликована в Physical Review Letters. Авторы — Танъю Хуан, Лэй Ду и Линчжэнь Го. Исследователи связаны с Технологическим университетом Чалмерса в Швеции и Тяньцзиньским университетом в Китае.

Исследование финансировалось Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC), Центром квантовых технологий Валленберга (WACQT) и Фондом Кнута и Алисы Валленберг.

Источники:

Материалы предоставлены Технологическим университетом Чалмерса.

Tangyou Huang, Lei Du, Lingzhen Guo. Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates. Physical Review Letters, 2026; 137 (6) DOI: 10.1103/tnb8-3m8m