Метод сокращения ошибок, разработанный Гарвардской командой, устраняет главный барьер на пути развития технологий

Квантовые компьютеры обещают достичь выдающейся скорости и эффективности, которые недоступны даже самым быстрым суперкомпьютерам наших дней. Однако, несмотря на свой потенциал, эта технология пока не получила широкого распространения и коммерциализации в значительной степени из-за отсутствия механизма самокоррекции. В отличие от классических компьютеров, квантовые компьютеры не могут исправлять ошибки путем многократного копирования закодированных данных. Учёным пришлось искать альтернативные решения.

В свежей публикации в журнале Nature представлен потенциал квантовой вычислительной платформы Гарварда в решении давней проблемы, известной как квантовая коррекция ошибок. Руководителем команды из Гарварда является эксперт в области квантовой оптики, профессор Михаил Лукин, а работа, о которой идет речь, была результатом совместных усилий Гарварда, Массачусетского технологического института и компании QuEra Computing из Бостона. Также в этом проекте участвовала группа Маркуса Грейнера, профессора физики Джорджа Фасмера Леверетта.

Гарвардская платформа, разрабатываемая на протяжении нескольких последних лет, основана на массиве сильно охлажденных атомов рубидия, которые удерживаются с помощью лазера. Каждый из этих атомов действует как квантовый бит, или "кубит", как их называют в квантовом мире, и способен выполнять ультраскоростные вычисления.

Основным нововведением команды Гарварда является настройка их "массива нейтральных атомов" для динамической перестройки расположения атомов, что в терминах физики называется "запутыванием". Операции, которые связывают пары атомов вместе, их так называемые двухкубитные логические вентили, представляют собой ключевые элементы вычислительной мощности.

Для выполнения сложных алгоритмов на квантовых компьютерах требуется значительное количество вентилей. Однако операции с вентилями подвержены ошибкам, и накопление ошибок делает алгоритмы непригодными. В своей последней статье команда сообщает о практически безупречной работе своих двухкубитных вентилей запутанности с крайне низким уровнем ошибок. Впервые им удалось достичь способности запутывать атомы с уровнем ошибок менее 0,5 процента. С точки зрения качества работы, это ставит их технологию в ряд с другими ведущими платформами квантовых вычислений, такими как сверхпроводящие кубиты и кубиты с захваченными ионами.

Тем не менее, подход Гарварда имеет свои преимущества перед конкурентами, благодаря большим размерам системы, эффективному управлению кубитами и способности динамически изменять расположение атомов.

"Мы обнаружили, что у нашей платформы очень низкие физические ошибки, и это открывает путь к созданию крупномасштабных устройств с квантовой коррекцией ошибок на основе нейтральных атомов. Наши логические кубиты с квантовой коррекцией ошибок могут иметь даже меньшие ошибки, чем отдельные атомы", — первый автора Саймон Эверед, студент Гарвардской высшей школы искусств и наук имени Гриффина в группе Михаила Лукина.

Достижения Гарвардской команды описываются в том же выпуске журнала Nature, где также сообщается о других инновациях, таких как работа бывшего студента Гарварда Джеффа Томпсона, который в настоящее время работает в Принстонском университете, и бывшего исследователя Гарварда Мануэля Эндреса, который сейчас трудится в Калифорнийском технологическом институте. Все эти достижения ложат основу для развития квантовых алгоритмов с коррекцией ошибок и масштабных квантовых вычислений. Это означает, что потенциал массивов нейтральных атомов для квантовых вычислений начинает раскрываться в полной мере.

"Эти вклады открывают двери для уникальных возможностей в области масштабируемых квантовых вычислений, и это захватывающее время для всей отрасли", — сказал Михаил Лукин.