«Кошачьи» кубиты сделали квантовый компьютер более отказоустойчивым


«Кошачьи» кубиты сделали квантовый компьютер более отказоустойчивым

Chamberland et al. / arXiv.org, 2020

Физики из компании Amazon представили схему отказоустойчивого квантового компьютера, в котором реализован новый подход к квантовой коррекции ошибок. В основе архитектуры этого компьютера лежат «кошачьи» кубиты (находящиеся в квантовом состоянии кота Шредингера), обладающие высокой устойчивостью к переворачиванию битов. Препринт статьи опубликован на arXiv.org.

Создание квантового компьютера — это непростая задача. Проблема заключается в том, что квантовая система неизбежно контактирует с окружающей средой. При этом информация о квантовой системе, изначально закодированная в устройстве, просачивается в окружающую среду. Это явление называется декогеренцией. После декогеренции уже нельзя получить доступ ко всей информации об устройстве, наблюдая только за ним. Это значит, что происходит ошибка и часть информации теряется. Для того, чтобы построить надежный квантовый компьютер, нужно научиться сводить к минимуму такие ошибки.

Один из подходов — уменьшение количества

ошибок логического элемента с

использованием избыточного числа

кубитов, или активная квантовая коррекция

ошибок. Этот метод основан на естественном

предположении, что если сравнить

несколько копий одного и того же состояния

и они будут отличаться между собой, то

произошла ошибка, а в обратном случае все в порядке.

Несмотря на некоторые трудности (в

квантовой механике невозможно просто

скопировать кубит), такой подход реализуем на практике. Но у него есть недостаток — необходимость

использования дополнительных кубитов

заметно увеличивает их общее количество,

что делает задачу более сложной с точки

зрения технической реализации.

Пассивная, или автономная, квантовая

коррекция ошибок — это противоположный

подход. Для его осуществления разрабатывают

физические вычислительные системы,

которые имеют внутреннюю устойчивость

к ошибкам.

«Кошачьи» кубиты сделали квантовый компьютер более отказоустойчивым

Сфера Блоха для состояния котов Шредингера

Chamberland et al. / arXiv.org, 2020

Группа ученых из Amazon под руководством Фернандо Брандао (Fernando Brandão) разработала новую схему квантового компьютера, устойчивого к ошибкам. Они использовали «кошачьи» кубиты, или кубиты в квантовом состоянии

кота Шредингера (cat state), то есть в суперпозиции когерентных состояний

с противоположными фазами. Идея заключается в том, что после стабилизации «кошачьего» кубита ошибки с переворотом битов становятся чрезвычайно редкими, а ошибки переворота фазы — более частыми.

А для того,

чтобы защититься от ошибок переворота

фазы, можно использовать активную коррекцию ошибок. В данном случае для активной коррекции ошибок использовался простейший код повторения на основе X, где X — матрица Паули.

«Кошачьи» кубиты сделали квантовый компьютер более отказоустойчивым

Кубиты для хранения информации и вспомогательные кубиты (желтые и серые кружки на рисунке) кодировались как состояния кота Шредингера локализованных акустических мод резонаторов с фононными дефектами (PCDR). Для стабилизации использовалась двухфотонная подпитка от инженерного резервуара (обозначен как RESVR на рисунке). Считывание производилось с помощью трансмона.

Chamberland et al. / arXiv.org, 2020

Для выполнения логических операций на кубитах используются квантовые вентили. В более ранних работах было показано, что универсальный набор вентилей, включая

вентили X, Z, CNOT и Тоффоли, может быть

выполнен на «кошачьих» кубитах с

использованием того же двухфотонного

механизма возбуждения и потерь. Ключевой момент состоит в том, что эти вентили не только универсальны, но и не приводят к дополнительным переворотам битов. «Кошачьи» кубиты, между которыми осуществляется логическая операция, должны быть подключены у единому подпитывающему резервуару. Авторы исследования обнаружили, что такое подключение приводит к коррелированным ошибкам между ними. Если подключить больше четырех кубитов к одному резервуару, то эти помехи не будут скомпенсированы активной коррекцией ошибок. Это число и определило компоновку и возможности

подключения архитектуры.

Идея использовать вместе состояния

кота Шредингера и активную коррекцию

ошибок не нова. Отличие этого исследования

от предыдущих заключается в том, что ученые выполнили

полное моделирование шума, включая

углубленное исследование редких

процессов переворота битов. Использование архитектуры, предложенной в работе, и активной коррекции ошибок, позволяет достичь логической ошибки

2,7×10-8, используя всего 9 кубитов

кода данных — это улучшение более чем на пять порядков по сравнению с полностью

незащищенными кубитами. Согласно оценке ученых, такая схема («кошачьи» кубиты и коды повторения) с чуть более чем двумя

тысячами сверхпроводящих компонентов,

используемых для стабилизации, могла

бы создать сотню логических кубитов,

способных надежно выполнить тысячу

вентилей Тоффоли.

Ранее мы рассказывали об еще одном успехе в области квантовых вычислений — о том, как квантовая коррекция ошибок научилась переваривать вдвое больший шум.

Яна Савченко

Источник: nplus1.ru



Логотип Labuda.blog
Авторизоваться с помощью: 
Яндекс.Метрика