Ученые продемонстрировали возможность использования сложных алгоритмов коррекции квантовых ошибок на сверхпроводниковой платформе, которая ранее признавалась не подходящей для этого. Разработанный метод предполагает динамическую перенастройку вспомогательных кубитов, что обеспечивает более эффективную защиту квантовой информации без изменения структуры чипа.
Хотя в последние годы достигнут заметный прогресс, широкое внедрение квантовых вычислений по-прежнему затруднено из-за возникающих вычислительных ошибок: вероятность ошибки в отдельной операции может составлять около 10⁻³, что существенно ниже необходимой точности для работы полезных алгоритмов. Одним из подходов к решению этой проблемы является коррекция квантовых ошибок – метод кодирования информации, при котором определенные кубиты служат для выявления и устранения ошибок посредством измерения специфических коллективных параметров системы. Тем не менее, в сверхпроводниковых процессорах использование некоторых эффективных кодов осложняется ограниченностью связей между кубитами: они взаимодействуют непосредственно только с соседними элементами, а не со всей структурой в целом.
Специалисты НИТУ МИСИС в сотрудничестве с исследователями из Российского квантового центра, МФТИ и Сколтеха разработали способ преодоления этого ограничения, не прибегая к усложнению структуры. Новый метод динамической переадресации позволяет «переносить» вспомогательные кубиты внутри схемы процессора, что обеспечивает взаимодействие между удаленными элементами. Подтверждением эффективности подхода стали результаты эксперимента, проведенного на квантовом процессоре университета.
«Поверхностный код является оптимальным выбором для сверхпроводниковых процессоров, однако повышение уровня защиты приводит к увеличению необходимого количества физических кубитов. Хотя существуют более эффективные методы коррекции ошибок, они не могут быть применены к локальной архитектуре. Мы продемонстрировали, что динамическая перенастройка вспомогательных кубитов может обеспечить адаптацию подобных схем к имеющимся процессорам », — поясняет научный сотрудник лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий НИТУ МИСИС и группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» РКЦ Илья Симаков.
Полные итоги исследования были обнародованы в специализированном издании Applied Physics Letters (В дальнейшем планируется проведение исследований, ориентированных на два основных аспекта: уменьшение количества физических ошибок и создание более действенных кодов.
Заместитель директора Института физики и квантовой инженерии, входящего в состав НИТУ МИСИС Надежда Санникова отметила: «Коррекция квантовых ошибок – одно из наиболее стремительно развивающихся направлений квантовых вычислений. В нашем институте как одном из флагманов в подготовке квантовых инженеров и исследователей, уделяется большое внимание развитию навыков и компетенций в этой области. В прошлом году в программу магистратуры “ Квантовое материаловедение” в учебный процесс включен курс Ашота Аванесова “Введение в отказоустойчивые квантовые вычисления”. Кроме того, мы уделяем значительное внимание популяризации этого направления посредством программ повышения квалификации и научно-просветительской деятельности ».
Работа была проведена в рамках стратегического технологического проекта «Квантовый интернет» НИТУ МИСИС, реализуемого по программе «Приоритет-2030» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (национального проекта «Молодежь и дети»). Разработка сверхпроводниковых квантовых процессоров осуществляется в НИТУ МИСИС в соответствии с дорожной картой по квантовым вычислениям, утвержденной Госкорпорацией «Росатом».