Исследователи из Технологического университета Чалмерса предложили новый способ управления квантовыми состояниями, который способен ускорить некоторые сложные операции более чем в тысячу раз. Вместо тысяч повторяющихся управляющих циклов нужное преобразование можно выполнить всего за один цикл. Это может снизить количество ошибок и приблизить создание более надёжных отказоустойчивых квантовых компьютеров.
Главная проблема современных квантовых вычислений связана с чрезвычайной чувствительностью кубитов. Даже слабые внешние воздействия — электрический шум, нагрев, космическое излучение и другие возмущения — способны изменить квантовое состояние и привести к ошибке. Чем дольше выполняется операция, тем больше вероятность, что вычисление будет испорчено до завершения.
Обычные компьютеры тоже сталкиваются с ошибками, но за десятилетия для них были разработаны эффективные механизмы коррекции. В квантовых системах задача намного сложнее, потому что квантовую информацию нельзя просто многократно копировать и проверять привычными способами. Поэтому одна из ключевых целей отрасли — научиться хранить и обрабатывать информацию так, чтобы ошибки можно было обнаруживать и исправлять до того, как они разрушат результат.
Одним из перспективных подходов считаются бозонные квантовые коды. В такой системе информация хранится не в отдельных кубитах, а, например, в состояниях микроволнового поля внутри сверхпроводящих резонаторов. Это позволяет встроить часть защиты от ошибок непосредственно в способ кодирования информации.
Однако управление такими состояниями до сих пор оставалось сложным и медленным. Чтобы сформировать нужное квантовое состояние, системе часто требовались тысячи последовательных управляющих циклов. Каждый дополнительный цикл увеличивал продолжительность операции и давал внешним помехам ещё одну возможность повлиять на вычисление.
Новый метод позволяет значительно сократить этот путь. Исследователи используют так называемые quantum lattice gates — квантовые решёточные вентили. Вместо того чтобы постепенно строить нужное состояние небольшими шагами, такие вентили позволяют выполнять гораздо более сложное преобразование сразу.
Авторы сравнивают этот подход со сборкой большого конструктора. При традиционном методе сложный объект приходится строить по одному элементу, и на каждом этапе может возникнуть ошибка. Новый подход больше похож на использование крупных заранее подготовленных блоков, которые позволяют сразу собрать значительную часть конструкции.
В результате большое число квантовых операций, для которых раньше требовались тысячи циклов управления, теоретически можно выполнить всего за один. Именно поэтому ускорение в отдельных случаях превышает тысячу раз. Но преимущество заключается не только в скорости. Чем короче операция, тем меньше времени квантовая система остаётся уязвимой перед внешними помехами.
Почему это важно для квантовых компьютеров
Квантовые компьютеры обещают решать задачи, которые чрезвычайно сложны для обычных вычислительных систем. Среди возможных применений — моделирование новых лекарств и материалов, оптимизация логистики, развитие энергетических технологий, криптография и некоторые задачи искусственного интеллекта.
Однако практическое использование таких систем пока сильно ограничено ошибками. Современные квантовые компьютеры способны выполнять отдельные сложные эксперименты, но для масштабных вычислений им необходима полноценная коррекция ошибок. Без неё увеличение количества кубитов не гарантирует полезного результата: вместе с размером системы растёт и число возможных сбоев.
Поэтому сокращение времени выполнения операций имеет большое значение. Если квантовый вентиль работает быстрее, информация меньше времени находится под воздействием среды. Это потенциально позволяет выполнять больше полезных операций до того, как накопившиеся ошибки разрушат вычисление.
Новый подход основан на методе управления, известном как Floquet control. Он использует периодические управляющие сигналы для изменения состояния квантовой системы. Ранее подобные методы обычно требовали многократного повторения управляющего цикла, прежде чем система приходила к нужному состоянию.
Исследователям удалось показать, что quantum lattice gates можно реализовать непосредственно за один такой период. Это и позволяет убрать тысячи повторений, которые раньше были необходимы для формирования сложных бозонных состояний.
Ещё одно важное преимущество заключается в том, что метод рассчитан на существующие сверхпроводящие квантовые платформы. То есть для его реализации не обязательно создавать совершенно новый тип квантового компьютера. Сверхпроводящие схемы уже являются одним из главных направлений развития отрасли, а сама команда Чалмерса работает над созданием 100-кубитной системы на этой технологии.
Пока речь идёт прежде всего о теоретической работе. Следующий важный этап — экспериментальная демонстрация метода на реальном квантовом оборудовании. Исследователи уже обсуждают такую возможность с коллегами и рассчитывают проверить, насколько хорошо предложенная схема работает в практической системе с неизбежными шумами и техническими ограничениями.
Даже если эксперимент подтвердит расчёты, это не означает, что полноценные отказоустойчивые квантовые компьютеры появятся немедленно. Для этого нужно решить множество других задач: увеличить число качественных кубитов, улучшить коррекцию ошибок, снизить шум, создать более стабильную электронику управления и разработать эффективные алгоритмы.
Тем не менее новая работа затрагивает одно из ключевых узких мест — скорость подготовки и управления состояниями, используемыми для защиты квантовой информации. Если операции действительно удастся выполнять за один цикл вместо тысяч, это может значительно облегчить создание систем, способных исправлять ошибки быстрее, чем они успевают накапливаться.
Главный вывод заключается в том, что ускорение квантовых вычислений важно не только ради производительности. В квантовом мире скорость напрямую связана с надёжностью: чем быстрее система выполняет нужное преобразование, тем меньше вероятность, что внешняя среда успеет разрушить хрупкое квантовое состояние.
Новый метод quantum lattice gates показывает возможный путь к резкому сокращению количества управляющих шагов. Если его удастся подтвердить экспериментально, он может стать ещё одним важным элементом в создании практических отказоустойчивых квантовых компьютеров.