Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали квантовый ластик для исправления ошибок «стирания» в квантовых вычислительных системах. Этот метод включает манипулирование нейтральными атомами щелочноземельных металлов с помощью лазерного «пинцета», который может обнаруживать и исправлять ошибки посредством флуоресценции. Это нововведение увеличивает степень запутанности нейтральной атомной системы Редберга в десять раз, делая ключевой шаг на пути к повышению надежности и масштабируемости квантовых компьютеров.

Ожидается, что будущие квантовые компьютеры произведут революцию в решении проблем в различных областях, таких как создание экологически чистых материалов, разработка новых лекарств и раскрытие сложных проблем фундаментальной физики. Однако эти новаторские квантовые системы в настоящее время более подвержены ошибкам, чем классические компьютеры, которые мы используем сегодня. Разве не было бы здорово, если бы исследователи могли придумать специальный квантовый ластик и стирать ошибки?

Исследователи впервые успешно продемонстрировали выявление и устранение ошибок «стирания».

Команда исследователей под руководством Калифорнийского технологического института первой продемонстрировала квантовый ластик, сообщает Nature. Физики продемонстрировали, что они могут выявлять и исправлять ошибки, известные как ошибки «стирания», в системах квантовых вычислений.

«Часто бывает трудно обнаружить ошибки в квантовых компьютерах, потому что сам процесс их поиска приводит к возникновению большего количества ошибок», — сказал Адам Шоу, соавтор нового исследования и аспирант лаборатории Мануэля Эндреса, профессора физики Калифорнийского технологического института. «Но наше исследование показывает, что при некотором тщательном контроле мы можем выявить и устранить определенные ошибки без каких-либо последствий, отсюда и название стирания».

Квантовые компьютеры основаны на физических законах субатомной сферы, таких как запутанность — явление, при котором частицы остаются связанными и имитируют друг друга без прямого контакта. В новом исследовании исследователи сосредоточились на платформе квантовых вычислений, которая использует массивы нейтральных атомов или незаряженных атомов. В частности, они манипулировали отдельными нейтральными атомами щелочноземельных металлов, заключенными в «пинцеты», сделанные из лазеров. Эти атомы переводятся в высокоэнергетическое состояние, состояние «Редберга», в котором соседние атомы начинают взаимодействовать.

Хотя ошибки в квантовых устройствах зачастую трудно обнаружить, исследователи показали, что при тщательном контроле некоторые ошибки могут заставить атомы светиться. Исследователи воспользовались этой способностью, выполнив квантовое моделирование с использованием массива атомов и лазерного луча, как показано здесь. Эксперименты показали, что они могут отбросить ошибочные светящиеся атомы, что позволит проводить квантовое моделирование более эффективно. Изображение предоставлено: Калифорнийский технологический институт/Лэнс Линтиан

«Атомы в нашей квантовой системе разговаривают друг с другом и запутываются», — объясняет Паскаль Шолль, еще один соавтор исследования, который был научным сотрудником Калифорнийского технологического института, а сейчас работает во французской компании по квантовым вычислениям под названием PASQAL.

Запутанность — ключ к тому, чтобы квантовые компьютеры превзошли классические компьютеры. «Однако природа не любит поддерживать такое состояние квантовой запутанности», — объясняет Шолль. «В конце концов, возникнут ошибки, разрушающие все квантовое состояние. Эти запутанные состояния можно представить как корзины, полные яблок, а атомы — это яблоки. Со временем некоторые яблоки начнут гнить, и если эти яблоки не вынуть из корзины и не заменить свежими, все яблоки быстро сгниют. Неясно, как полностью предотвратить возникновение этих ошибок, поэтому единственный возможный способ на данный момент — обнаружить и исправить ошибки».

Новая система улавливания ошибок устроена таким образом, что ошибочные атомы флуоресцируют или светятся под воздействием лазерного света. «У нас есть изображения светящихся атомов, которые говорят нам, где находятся ошибки, поэтому мы можем исключить их из окончательной статистики или использовать дополнительные лазерные импульсы для их превентивного исправления», — сказал Шолль.

Теория реализации обнаружения стирания в системах нейтральных атомов была впервые предложена Джеффом Томпсоном, профессором электротехники и вычислительной техники Принстонского университета, и его коллегами. Команда также недавно сообщила о демонстрации технологии в журнале Nature.

Команда Калифорнийского технологического института утверждает, что, устраняя и локализуя ошибки в своей системе атомов Редберга, они могут увеличить общую скорость или точность запутанности. В новом исследовании команда обнаружила, что только одной паре из 1000 пар атомов не удалось запутаться. Это 10-кратное улучшение по сравнению с предыдущими результатами и самый высокий уровень запутывания, наблюдаемый в системах такого типа.

В конечном счете, эти результаты служат хорошим предзнаменованием для платформ квантовых вычислений, использующих массивы нейтральных атомов Редберга. Нейтральные атомы — наиболее масштабируемый тип квантового компьютера, но до сих пор они не обладали высокой точностью запутанности.

Ссылка: «Преобразование стирания в высокоточном квантовом симуляторе Редберга», Паскаль Шолль, Адам Л. Шоу, Ричард Бинг-Шиун Цай, Ран Финкельштейн, Джунхи Чой и Мануэль Эндрес, 11 октября 2023 г., журнал «Nature».

DOI: 10.1038/s41586-023-06516-4

Источник составления: ScitechDaily.