Дослідники з Єльського університету вперше за допомогою процесу, відомого як квантова корекція помилок, істотно збільшили час життя квантового біта. Це довгоочікувана мета і одна з найскладніших завдань в області квантової фізики.
Експеримент, проведений під керівництвом Майкла Деворета з Єльського університету, доводить, що квантова корекція помилок працює на практиці. Це сталося через десятиліття після того, як фізики запропонували її теоретичні основи. Квантова корекція помилок — це процес, призначений для збереження квантової інформації в незмінному вигляді протягом більш тривалого періоду часу, ніж якби та ж інформація зберігалася в апаратних компонентах без будь-яких виправлень.
Що таке кубіти?
Інформація в класичних обчисленнях надходить у вигляді бітів, відповідних одиницям або нулям. У квантових обчисленнях вона зберігається в спеціальних пристроях з квантовими властивостями, які відомі як квантові біти або «кубіти».
IBM 7 Qubit Device. фото: Flickr
У лабораторії Єльського університету їх створюють з надпровідних ланцюгів, охолоджуваних до температур в 100 разів нижче, ніж у відкритому космосі. Кожен кубіт представляє одиницю або нуль, або, як не дивно, і одиницю, і нуль одночасно. Цей «квантовий паралелізм» — одна з властивостей, яка дозволяє квантовим комп’ютерам виконувати обчислення. Потенційно — на кілька порядків швидше, ніж це можливо на класичних суперкомп’ютерах.
У чому проблема квантових обчислень?
Однак квантові системи тендітні. Їх переслідує фундаментальне явище декогеренції — процес, при якому інформація, що зберігається в кубітах, швидко втрачає свої квантові властивості в результаті їх взаємодії з навколишнім середовищем. Простими словами будь-яке втручання зовнішнього середовища заважає роботі таких систем, роблячи їх неможливими. Це не дає реалізувати квантові комп’ютери повсюдно.
Рішення є, але не все так просто
Квантова корекція помилок, яку теоретично відкрили в 1995 році, пропонує засоби для боротьби з цією декогерентністю. Вона захищає квантовий біт інформації, кодуючи його в системі більшого розміру, ніж в принципі необхідно для подання одного кубіта.
IBM 16 Qubit Processor. фото: Flickr
Однак ця більша система робить вплив навколишнього середовища ще більш агресивним, а закодований кубіт — більш крихким. Через цей ефект і ускладнення, пов’язаних з додатковими компонентами для виправлення помилок, цей процес не продовжив термін служби квантового біта на практиці. Дослідники кажуть, що насправді беззбитковість навіть з невиправленим кубітом — рідкісна подія. Всупереч теоретичним обіцянкам, в більшості експериментів виправлення помилок прискорює декогерентність квантової інформації.
Що зробили вчені?
В ході експерименту вчені вперше показали, що збільшення надмірності системи, активне виявлення і виправлення квантових помилок забезпечило підвищення стійкості квантової інформації.
Групі вчених вдалося більш ніж подвоїти час життя квантової інформації. Їх кубіт з виправленням помилок жив 1,8 мілісекунди — у квантових обчисленнях все відбувається швидко.
Вони досягли результатів, використовуючи код виправлення помилок, який винайдений в 2001 році.
Ілюстрація кубітів. Надано: Єльський університет
Володимир Сивак, провідний автор статті, заявив, що продуктивність частково досягли шляхом використання агента машинного навчання. Він налаштував процес виправлення помилок для поліпшення результату.
Чому так важливо?
Практичний успіх квантових обчислень буде залежати від можливості створювати квантові біти надзвичайно високої якості з використанням квантової корекції помилок. Новий експеримент підтверджує наріжне припущення про квантове обчислення; подвоюючи життя кубіта, дослідники довели ключову теорію квантової фізики. «Це дуже надихає», — підсумовують автори дослідження.