Учёные впервые осуществили квантовую коррекцию ошибок для кудитов — кубитов, способных существовать в нескольких состояниях одновременно. Достижение стало возможным благодаря применению «бозонного кода Готтсмана-Китаева-Прескилла», оптимизированного с помощью алгоритма обучения с подкреплением. Выводы могут упростить создание квантовых компьютеров.
Современные квантовые компьютеры работают с кубитами — элементами, схожими с битами в классических вычислениях. В отличие от битов, кубиты используют квантовую суперпозицию и могут одновременно принимать два состояния.
Вычислительная сила квантовых систем определяется гильбертовым пространством. Чем оно объёмнее, тем сложнее выполняемые вычисления. Кубиты действуют в двумерном пространстве, а многомерные аналоги кубитов – кудиты – расширяют эти возможности.
Рост интереса к кубитам обусловлен их способностью упростить выполнение сложных задач: построение квантовых вентилей, обработку алгоритмов или создание «магических состояний» — особых квантовых состояний, недоступных классическим компьютерам, но критически важных для полноценных квантовых вычислений. Такое расширение потенциальных областей применения технологии.
Экспериментальный прорыв в коррекции ошибок
Ранее разрабатывались архитектуры на основе фотонных, атомных и сверхпроводящих кудитов, но порог квантовой коррекции ошибок, момент, когда исправленная система сохраняет информацию дольше неисправленной, достигнут лишь для кубитов.
В исследовании, опубликованном в Учёные из Йельского университета впервые экспериментально подтвердили выполнение QEC для кудитов. Экспериментальные методы были обобщены, и были разработаны новые протоколы измерений. «, — отмечают авторы.
ИИ-оптимизированный протокол
Квантовые компьютеры очень восприимчивы к помехам, способным провоцировать погрешности и потери данных. QEC поддерживает сохранность информации долгий достаточный срок для проведения вычислений.
В команде реализовали QEC для кубитов в трёх состояниях и кубитов в четырёх состояниях, применяя бозонный код GKP в трёхмерной сверхпроводящей микроволновой полости. Сочетание квантового осциллятора и транспмонного кубита упрощает кодирование, считывание и стабилизацию логических состояний.
«Изучения основаны на концепции аппаратной эффективности бозонных кодов и представляют новый метод применения широкого гильбертова пространства осциллятора. «, — подчеркивают ученые.
Код GKP использует бозонные волновые функции, собранные в периодическую решетку, для кодирования состояний кубитов и куквартов. Информация распределяется через пространственные смещения, что упрощает обнаружение и исправление мелких ошибок до их необратимого накопления.
Положительные достижения при всех трудностях.
Для точной настройки протокола исследователи использовали алгоритм обучения с подкреплением. Искусственный интеллект самостоятельно определял наиболее эффективные параметры эксперимента, корректируя до 45 переменных для повышения точности квантовой памяти за несколько операционных циклов — уровень точности, практически не достижимый традиционными методами.
Оптимизированная команда добилась коэффициента коррекции ошибок 1,82 для кутритов и 1,87 для куквартов. Это означает, что скорректированная информация в кудитах сохранялась на 82% и 87% дольше по сравнению с некорректированными версиями, превысив порог эффективности коррекции. По мнению исследователей, эти показатели сравнимы или превосходят результаты QEC-кубитов, испытываемых на подобной платформе.
Однако сохраняются технические ограничения:
- Сложность логических состояний увеличивает потребление энергии и делает их более чувствительными к помехам.
- Увеличение фотонных потерь и дефазировки в сверхпроводящих системах прямо пропорционально энергии состояния, что уменьшает время существования квантовой информации.
Компенсация недостатков:
«Короткое время жизни компенсируется большим количеством доступных логических квантовых состояний в одной физической системе. «, — поясняют авторы. «Это позволит повысить эффективность компиляции квантовых вентилей и алгоритмов, разработать новые методы квантовой коммуникации и трансдукции, а также использовать преимущества конкатенации в многокудитных внешних кодах. «.
Перспективы: вложенная квантовая архитектура
В качестве основного фактора дефазировки выступал вспомогательный транспонтный кубит. Некоторым из таких кубитов свойственно непреднамеренное повышение температуры, приводящее к увеличению частоты ошибок на ранних этапах вычислений. Улучшение систем охлаждения или оптимизация вспомогательных элементов способно смягчить эту проблему.
Ближайшие планы команды включают:
- Увеличение возможностей протокола для запутанных кубитов — важный этап в развитии больших квантовых вычислений.
- Исследование «внутренней конкатенации» — метода размещения логического кубита внутри логического кубита для достижения многоуровневой защиты в одном осцилляторе.