Коти покращують квантові обчислення своїми кубітами — як це працює

Науковці знайшли ефективне вирішення проблеми квантових обчислень.

Для подолання проблем у квантових обчисленнях, викликаних шумом та перешкодами, науковці з Центру квантових обчислень (AWS) Каліфорнійського технологічного інституту пропонують використовувати новий чип Ocelot, який використовує «котячі кубіти». Це особливий тип кубітів, що обіцяє істотно знизити кількість помилок під час квантових обчислень.

Традиційним квантовим системам необхідні тисячі додаткових кубітів для виправлення помилок, однак використання «котячих кубітів» може скоротити їхню кількість на 90%. Квантові комп’ютери, що працюють за принципами квантової механіки, обіцяють революційні прориви у сферах медицини, матеріалознавства, криптографії та фундаментальної фізики.

Попри великий потенціал у спеціалізованих дослідженнях в області фізики, квантові комп’ютери залишаються дуже уразливими перед помилками і занадто чутливими до зовнішніх перешкод. Вони дуже чутливі до вібрацій, теплового впливу, електромагнітних перешкод та навіть випромінювання з космосу.

Дослідники з AWS продемонстрували нову архітектуру квантового чипа для подолання перешкод з використанням особливих кубітів, відомих як «котячий кубіт». Цей вид кубітів вперше був запропонований ще у 2001 році із того часу був суттєво вдосконалений.

Науковці змогли зібрати перший масштабований чип з «котячих кубітів» і дали йому назву Ocelot на честь плямистої дикої кішки. Окрім цього назва слугує відсилкою до технології внутрішнього «осцилятора»система, яка здійснює коливання, тобто показники якої періодично повторюються в часі., який є основою котячих кубитів.

Подібно до класичних комп’ютерів, квантові — також використовують бінарний код з одиниць та нулів, при цьому зберігаючи ці значення у стані суперпозиції. Це дає їм змогу зберігати всі комбінації з цих цифр одночасно. Однак при цьому квантові комп’ютери залишаються дуже вразливими і легко можуть втрачати цей стан суперпозиції.

У класичних комп’ютерах використовуються додаткові надлишкові біти для захисту даних від помилок. Наприклад, один біт інформації копіює її на три біти, так що у будь-якого біта є два резервні партнери. Якщо один із цих бітів має помилку (обертається з 1 на 0 або з 0 на 1), а два інших не обернулись, простий код — у даному випадку так званий трибітний код повторення — може бути використаний для виявлення помилки та відновлення непарного біта.

У зв’язку зі складністю підтримання стану суперпозиції кубітами, вони можуть мати два типи помилок: обертання бітів, як у класичних цифрових системах, і обертання фаз, при яких стани кубіту 1 і 0 перебувають не у фазі (або не синхронізовані) один з одним.

Дослідники розробили велику кількість стратегій для обробки цих двох типів помилок у квантових системах. Однак ці методи потребують великої кількості додаткових резервних кубітів. Фактично, сучасні квантові комп’ютери  можуть вимагати тисячі додаткових кубитів для забезпечення бажаного рівня захисту від помилок.

Як «котячі кубіти» мають скоротити кількість помилок під час квантових обчислень

Нова стратегія базується на типі кубіта, сформованого з надпровідних ланцюгів. Ці ланцюги створені з мікрохвильових осциляторів, в яких стани 1 і 0, що представляють кубіт, визначаються як дві різні великомасштабні амплітуди коливань. Завдяки цьому кубіти перебувають у дуже стабільному стані і стають невразливими до помилок з обертанням бітів.

Насправді, назва «котячі кубити» відноситься до здатності цих кубитів приймати два дуже великі, або макроскопічні стани одночасно — так само, як знаменитий кіт у уявному експерименті Ервіна Шредінгера, який може бути одночасно і мертвим, і живим.

Єдиними помилками, що залишилося виправити, є помилки інвертування фази. І виправлення лише одного типу помилок означає, що дослідники можуть використовувати код повторення, подібний до тих, які використовуються для виправлення помилок інвертування бітів у класичних системах.

У чипі Ocelot поєднуються п’ять «котячих кубитів» та спеціальні буферні схеми для стабілізації їх коливань, а також чотири допоміжні кубіти для виявлення фазових помилок. 

Простий код повторення команди ефективний у виявленні помилок обертання фази і вдосконалюється за рахунок збільшення коду з трьох «котячих кубитів» до п’яти. Більш того, процес виявлення фазових помилок був реалізований таким чином, щоб підтримувати високий рівень пригнічення помилок обертання бітів у «котячих кубітах». 

Дослідження опубліковане у журналі Nature

Джерело: Scitechdaily