Успіхи науки в експериментальній корекції втрати кубіта

9 вересня поточного року журнал «Nature» були опубліковані результати цікавого дослідження «Експериментальна детермінована корекція втрати кубіта» (Experimental deterministic correction of qubit loss), яке проводилось інтернаціональною дослідницькою групою під егідою Інсбрукського університету (Австрія). До складу групи дослідників входили Райнер Блатт (Rainer Blatt) і Томас Монц (Thomas Monz, керівник команди квантового процесора із захопленими іонами), Роман Стрікер (Roman Stricker), Мартін Рінгбауер (Martin Ringbauer) та Філіп Шиндлер (Phillip Schindler), які проводили експеримент. У дослідженні також брали участь науковий співробітник кафедри фізики та астрономії Болонського університету Давіде Водола (Davide Vodola) і Маркус Мюллер (Markus Müller) з Рейнсько-Вестфальського технічного університету Аахена, Німеччина.

Але проведені експерименти цікаві не участю у ньому представниками наукових і дослідних зі світовими іменами, а отриманим результатом. Річ у тім, що у ході дослідів дослідницька група розробила та впровадила новий протокол опрацювання помилок. Він дозволяє захищати уразливу квантову інформацію і виправляти помилки, що виникають через втрату кубіта.

Нагадаємо, що кубіт (інакше, quantum bit, q-біт) — це найменший елемент, призначений для зберігання інформації у квантових комп’ютерах. Так само, як і звичний для більшості користувачів ПК біт, кубіт має два стійких стани, що позначаються нулем і одиничкою. Проте, на відміну від канонічного, квантовий біт може знаходитися ще й у третьому стані — суперпозиції перших двох. Після вимірювання інформації q-біт може випадково переходити в один із власних станів. Подібна непередбачуваність призводить до помилок в обчисленнях, які роблять квантові комп’ютери (КК), та може мати вкрай негативні наслідки.

Варто зазначити, що обчислювальні можливості КК просто вражають. Обчислювальна потужність КК набагато перевищує цей параметр класичних комп’ютерів. Це пояснюється тим, що в основу схем КК покладено кубіти, що працюють на принципах квантової механіки. Незважаючи на великий потенціал, кубіти виявляються надзвичайно чутливими до впливу ззовні і схильні до помилок внаслідок взаємодії із зовнішнім середовищем.

Щоб усунути цей недолік квантового елементу для зберігання найменшої «порції» інформації, міжнародна дослідницька група розробила та впровадила новий протокол обробки помилок. Він дозволяє захищати та виправляти «крихку» квантову інформацію у разі помилок через втрату кубітом «0» або «1».

«Розробка повноцінно функціонуючого квантового процесора все ще уявляє собою велику проблему для вчених у всьому світі», — пояснює дослідник Болонського університету Давіде Водола, який є одним із авторів дослідження. «Це дослідження дозволило нам вперше впровадити протокол, який може виявляти і одночасно виправляти помилки через втрату кубіта. Така здатність може виявитись важливою для майбутнього розвитку масштабних квантових комп’ютерів».

У науковому світі відомо про те, що квантові процесори демонструють певну «толерантність» до помилок в обчисленнях. Проте, учені надто мало знають про те, як запобігти та виправити помилки, пов’язані з повною або частковою втратою кубітів.

Коли квантові комп’ютери опрацьовують дані, деякі кубіти можуть бути повністю втрачені з квантових регістрів або вони можуть перейти в небажані електронні стани. Результатом обох цих процесів є втрата, яка може зробити працю квантового процесору марною, а КК — непотрібним. З цієї причини розробка теоретичних та експериментальних методів, спроможних аналізувати та пом’якшувати наслідки цих помилок, є надзвичайно важливою.

«Для вирішення цієї проблеми першим, що зробила наша дослідницька група, було розробити ефективний теоретичний підхід до цього питання», — сказав пан Водола. «Нам вдалося показати, що інформацію, яка зберігається в реєстрі з деякими кубітами, можна захистити та повністю отримати, якщо один із цих кубітів загубиться».

Дослідницька група застосувала створений нею протокол у реальному квантовому процесорі. Це виявилось непростою задачею, оскільки для оцінки факту втрати кубіта, пряме його вимірювання знищує всю інформацію, що зберігається в квантовому регістрі, у складі якого є цей q-біт.

Рішення, яке знайшла дослідницька група, ґрунтується на використанні додаткового кубіта. У цьому випадку останній виконує функцію зонду і може оцінити наявність або відсутність інших кубітів, не змінюючи обчислювальний процес. У ході проведених експериментів ідея спрацювала. Це дозволило дослідникам успішно перевірити свій протокол у режимі реального часу.

«Ми задоволені результатами цього тесту на квантовому процесорі з захопленими іонами Університету Інсбрука», — підтверджує Водола. «Той самий протокол може бути реалізований в різних архітектурах квантових комп’ютерів, які в даний час розробляються іншими дослідницькими центрами або приватними установами».

Новину підготовлено за матеріалами «New Protocol Corrects Errors Due to Qubit Loss — May Be Key to Development of Large-Scale Quantum Computers».

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *