Квантовые компьютеры будущего обещают решить самые разные проблемы. Например, они могут привести к созданию более экологически чистых материалов и новых лекарств и даже решить самые сложные проблемы фундаментальной физики. Но по сравнению с используемыми сегодня классическими компьютерами, элементарные квантовые компьютеры более склонны к ошибкам. Разве не было бы здорово, если бы исследователи могли просто достать специальный квантовый ластик и избавиться от ошибок? В журнале Nature сообщается, что группа исследователей под руководством Калифорнийского технологического института одной из первых продемонстрировала тип квантового ластика. Физики показывают, что они могут выявлять и исправлять ошибки в системах квантовых вычислений, известные как ошибки «стирания».
«Обычно очень трудно обнаружить ошибки в квантовых компьютерах, потому что сам процесс поиска ошибок приводит к появлению новых ошибок», — говорит Адам Шоу, соавтор нового исследования и аспирант лаборатории Мануэля Эндреса, ученого. профессор физики Калифорнийского технологического института. «Но мы показываем, что при некотором тщательном контроле мы можем точно обнаружить и стереть определенные ошибки без каких-либо последствий, отсюда и название «стирание». Квантовые компьютеры основаны на законах физики, которые управляют субатомным миром, таких как запутанность — явление, при котором частицы остаются связанными и имитируют друг друга, не находясь в прямом контакте. В новом исследовании исследователи сосредоточились на типе платформы квантовых вычислений, которая использует массивы нейтральных атомов или атомов без заряда.
В частности, они манипулировали отдельными нейтральными атомами щелочноземельных металлов, заключенными в «пинцеты», сделанные из лазерного света. Атомы были возбуждены до высокоэнергетических состояний (или «ридберговских» состояний), в которых соседние атомы начали взаимодействовать. «Атомы в нашей квантовой системе общаются друг с другом и создают запутанность», — объясняет Паскаль Шолль, другой соавтор исследования и бывший научный сотрудник Калифорнийского технологического института, сейчас работающий во французской компании по квантовым вычислениям под названием PASQAL. Запутанность — это то, что позволяет квантовым компьютерам превосходить классические компьютеры. «Однако природе не нравится оставаться в этих квантово запутанных состояниях», — объясняет Шолль. «В конце концов, происходит ошибка, которая нарушает все квантовое состояние. Эти запутанные состояния можно рассматривать как корзины, полные яблок, где атомы — это яблоки. Со временем некоторые яблоки начнут гнить, и если эти яблоки не будут вынутые из корзины и замененные свежими, все яблоки быстро станут гнилыми. Неясно, как полностью предотвратить возникновение этих ошибок, поэтому единственный реальный вариант в настоящее время — это обнаружить и исправить их».
Новая система обнаружения ошибок устроена таким образом, что ошибочные атомы флуоресцируют или загораются при попадании в них лазера. «У нас есть изображения светящихся атомов, которые говорят нам, где находятся ошибки, поэтому мы можем либо исключить их из окончательной статистики, либо применить дополнительные лазерные импульсы для их активного исправления», — говорит Шолль. Теория реализации обнаружения стирания в системах нейтральных атомов была впервые разработана Джеффом Томпсоном, профессором электротехники и вычислительной техники Принстонского университета, и его коллегами. Эта команда также недавно сообщила о демонстрации этой техники в Nature.
Команда Калифорнийского технологического института утверждает, что, удаляя и обнаруживая ошибки в своей атомной системе Ридберга, они могут улучшить общую скорость запутанности или точность. В новом исследовании команда сообщает, что только одной из 1000 пар атомов не удалось запутаться. Это улучшение в 10 раз по сравнению с тем, что было достигнуто ранее, и это самый высокий когда-либо наблюдавшийся уровень запутывания в системах такого типа. В конечном счете, эти результаты служат хорошим предзнаменованием для платформ квантовых вычислений, использующих массивы нейтральных атомов Ридберга. «Нейтральные атомы — наиболее масштабируемый тип квантового компьютера, но до сих пор они не обладали высокой точностью запутанности», — говорит Шоу.
