Квантовите компютри продължават да са изключително уязвими към грешки и дори към най-малките външни смущения. Колкото по-дълго трае квантовата операция, толкова повече време има, за да възникват тези грешки. В тази връзка изследователи от Технологичния университет „Чалмърс“ в Швеция са разработили метод, който позволява изпълнението на широк спектър от сложни квантови операции над 1000 пъти по-бързо. Това постижение премахва сериозна пречка в областта и може да доближи квантовите изчисления до момента, в който ще бъдат лишени от грешки.

В бъдеще квантовите компютри могат да преобразят области като разработването на лекарства, енергетиката, криптографията, изкуствения интелект и логистиката. Преди това обаче тези машини трябва да станат много по-надеждни. Основният проблем е, че квантовите изчисления могат да бъдат нарушени от изключително малки въздействия на околната среда. Електрическият шум, космическата радиация и прегряването могат да предизвикат грешки по време на обработката на информацията.

Традиционните компютри също са податливи на грешки, но десетилетия на развитие позволиха създаването на надеждни методи за корекция, които бързо ги откриват и поправят. Квантовите системи са много по-трудни за защита, тъй като информацията, използвана в тях е изключително крехка.

„Фундаменталните градивни елементи на квантовите компютри, известни като кубити са толкова чувствителни, че дори и най-малкото въздействие може да накара квантовото състояние да се отклони от желаното, което води до загуба на информация. Ако до момента на корекцията се натрупат твърде много грешки, изчислението може да се провали.“

азва Лей Ду, изследовател по приложна квантова физика в „Чалмърс“ и водещ автор на теоретично проучване, публикувано в списанието Physical Review Letters За да направят квантовите изчисления по-стабилни и в крайна сметка устойчиви на откази, изследователите са проучили нови начини за защита на квантовата информация от грешки. Една от перспективните стратегии използва така наречените бозонни квантови кодове. Вместо да се привързва квантовата информация към отделни кубити, този подход я съхранява в микровълнови полета вътре в свръхпроводящи схеми.

„Вместо да съхраняват квантовата информация в отделни кубити, бозонните кодове кодират информацията в микровълнови полета вътре в свръхпроводящи схеми. Този подход, както беше показано, осигурява по-силна защита срещу определени видове грешки.“

обяснява Таню Хуан, изследовател в областта на квантовите технологии в „Чалмърс“ и съавтор на изследването

Работата с бозонни квантови кодове не е лесна. Създаването и управлението на необходимите квантови състояния традиционно включваше преминаването на квантовата система през хиляди повтарящи се цикли на управление. Този процес може да отнеме значително време, а всеки допълнителен цикъл създава още една възможност за външни смущения да се намесят в изчислението. В квантовите изчисления скоростта, по този начин, е тясно свързана с надеждността. Изследователите от „Чалмърс“ Лей Ду и Таню Хуан са предложили различна стратегия. Вместо да изграждат необходимите квантови състояния от малки фрагменти, техният метод позволява да се изпълняват най-разнообразни операции много по-бързо.

„Нашият метод показва, че разнообразни квантови операции върху бозонни състояния могат да се изпълнят за един цикъл на управление, а не за няколко хиляди цикъла, каквито бяха необходими преди. Това прави операциите по-бързи и по-ефективни, като намалява риска смущенията да повредят информацията преди завършването на процеса. Това е важна стъпка към издръжливи на откази квантови компютри.“

казва Лей Ду Новият подход се основава на квантовите решетъчни вентили – наскоро предложен универсален набор от квантови вентили, разработен от същия изследователски екип. Тези вентили действат отчасти като етикети. Вместо дълга поредица от повтарящи се управляващи стъпки, те позволяват да се изпълни желаната квантова операция само за един управляващ цикъл. Това може да направи процеса по-бърз, по-лесен и по-малко уязвим към грешки.

„Това може да се представи като сглобяването на голям замък от Лего. Вместо да го сглобявате тухла по тухла и да рискувате да допуснете грешки по пътя, квантовите решетъчни вентили действат като готови Лего модули, които могат да се съединяват бързо и ефективно.“

казва Таню Хуан

Тази техника е особено подходяща за свръхпроводящи квантови компютри, които се нареждат сред най-значимите технологии в международните усилия за създаване на квантови изчисления в голям мащаб. Технологичният университет „Чалмърс“ също използва свръхпроводяща технология при разработването на 100-кубитов квантов компютър.

„Ключовото предимство на нашия подход е, че той може да бъде реализиран върху съществуващите платформи за свръхпроводящи квантови схеми. Вече обсъждаме възможни експериментални реализации с колегите ни в „Чалмърс“ и се надяваме да видим демонстрация на метода в близко бъдеще.“

казва Таню Хуан

Изследователите твърдят, че работата им решава централен проблем в областта: ефективното създаване и управление на квантови състояния, способни да спомогнат за коригирането на грешки.

„Нашите резултати премахват едно от основните препятствия в областта: как бързо и надеждно да се създават и контролират квантови състояния за корекция на грешки, които могат да играят важна роля в бъдещите квантови компютри.“

казва Лей Ду

Бозонните квантови кодове съхраняват квантовата информация в състояния, например на микровълнови или оптични резонатори, а не в отделни кубити. Те се считат за перспективен инструмент за квантова корекция на грешки, тъй като осигуряват вградена защита срещу определени видове грешки. За обработката на съхраняваната информация са необходими квантови операции. Квантовите решетъчни вентили са наскоро предложен набор от основни градивни елементи, които могат да се използват за управление на бозонни квантови състояния. Чрез комбиниране и проектиране на тези вентили изследователите могат да изпълняват широк спектър от по-сложни квантови операции.

Един от методите за реализация на такива операции е известен като управление на Флок, което използва периодични управляващи сигнали за въздействие върху квантовата система. По-ранните методи, базирани на Флок обикновено разчитаха на по-бавни процеси с множество повтарящи се цикли на управление. Подходът, разработен в „Чалмърс“ позволява вместо това квантовите решетъчни вентили да се изпълняват директно за един цикъл на управление, което прави някои операции над хиляда пъти по-бързи.