Устойчивость сверхпроводниковых квантовых процессоров к ошибкам повысилась
Решение задачи на квантовом компьютере можно представить в виде трех этапов: приготовления регистра квантового устройства, проведения манипуляций над системой и заключительного считывания полученных измерений. Главное препятствие на каждом этапе — высокий уровень шумов, не позволяющий поддерживать нужное состояние квантовых объектов достаточно долго для работы практических алгоритмов. Именно поэтому уменьшение уровня ошибок является приоритетным направлением исследований ученых.
Идея кодов коррекции ошибок состоит в кодировании логического кубита, устойчивого к внешним шумам, в большом количестве физических кубитов. Однако для работы логического кубита системе также необходимо использовать вспомогательные кубиты — анциллы. Промежуточные измерения анцилл позволяют отслеживать влияние шумов на состояние логического кубита. Ученые из Российского квантового центра предложили подход к реализации обширного класса кодов коррекции ошибок, который позволяет снизить число вспомогательных кубитов до одного, а также использовать специфику сверхпроводниковых квантовых процессоров для уменьшения влияния шумов.
Исследователи доказали, что данный класс квантовых кодов коррекции ошибок может быть реализован при достаточно простой структуре — круговой связности соседних кубитов. Так, новый подход позволяет отказаться от операций между «далеко» расположенными друг от друга кубитами в пользу двух соседних. Эффективность схемы продемонстрирована в ходе выполнения трехкубитного кода повторения, пятикубитного кода коррекции ошибок Лафламма и девятикубитного кода Шора. Также в работе предложен метод реализации поверхностного кода коррекции ошибок с использованием одного анцилла-кубита и связности кубитов с ближайшими соседями.
— Как работает квантовый компьютер?
— Квантовые компьютеры — это новое поколение вычислительных устройств, работа которых построена на использовании двух ключевых эффектов квантовой механики: квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. В классических вычислительных устройствах вся информация раскладывается на биты — 0 или 1, тогда как в квантовых наименьшей единицей информации является квантовый бит (кубит), способный одновременно находиться в обоих состояниях сразу — и 0, и 1. Пространство состояний, в которых находится квантовый процессор, быстро растет с увеличением числа кубитов. На практике все эти особенности позволяют таким устройствам решать различные вычислительные задачи на порядки быстрее классических компьютеров и суперкомпьютеров.
— Чем он отличается от обычного?
— Если кратко, то всем. Квантовые компьютеры используют для вычислений другую парадигму — запутанные суперпозиционные состояния кубитов (квантовых аналогов битов информации). Для проведения вычисления на таких устройствах используется специализированный софт, а также другие — квантовые — алгоритмы. Можно сказать, что квантовые вычислительные устройства отличаются от привычных нам компьютеров так же, как ПК отличается от счетов.
— Что такое «нужное состояние квантовых объектов»?
— С течением времени произвольное состояние квантового объекта может подвергаться неконтролируемому изменению в результате декогеренции, то есть воздействия шумов. Так как для верной работы квантовых алгоритмов важно, чтобы таких изменений не происходило, нужным состоянием будет состояние квантового объекта до действия шумов.
— Что такое «высокий уровень шумов»?
— Хотя квантовые коды коррекции и способны справиться с произвольной ошибкой, важным фактором является число затронутых ошибкой кубитов. Например, предназначенный для исправления однокубитной ошибки код неспособен верно декодировать ошибку, произошедшую одновременно в двух кубитах, то есть неисправимую для данного кода ошибку. Поэтому высоким уровнем шумов является такой уровень, при котором вероятность появления неисправимой ошибки становится существенной.
— Объясните, пожалуйста, идею кодов коррекции ошибок простыми словами.
— В силу того, что очень сложно изолировать квантовую систему от воздействия внешних шумов, в квантовой системе могут появляться искажения, которые портят результат работы алгоритма. Квантовые коды коррекции ошибок — это подход к реализации элементов алгоритма, позволяющий снизить влияние таких шумов на квантовую систему.
— Могут ли эти коды использоваться в экспериментах со сверхпроводниковыми квантовыми процессорами?
— Эти коды могут использоваться, например, в экспериментах по сохранению подготовленного квантового состояния от воздействия шумов, возникающих в процессоре. В частности, сверхпроводниковые квантовые процессоры обладают рядом особенностей, которые использовались в предложенной нами работе для более эффективной реализации квантовых кодов на данной платформе.
