Учёные разработали квантовый бит, названный «кошачьим кубитом», который способен противостоять ошибкам квантовых компьютеров более 10 секунд — в 10 тысяч раз дольше прежних показателей. Такой новый уровень управления может уменьшить количество кубитов для исправления ошибок на порядок, что приведёт к созданию надёжных и практичных квантовых компьютеров.
В отличие от битов в обычных компьютерах, обрабатывающих информацию в двоичной форме (0 или 1), кубиты могут принимать форму любой комбинации двух значений одновременно. Это свойство позволяет квантовым компьютерам превзойти вычислительные возможности обычных компьютеров и решать задачи, которые считались неразрешимыми. В настоящее время возможности квантовых систем ограничены из-за уязвимости к ошибкам при вычислениях и размеров существующих систем.
Кубиты невероятно хрупкие и требуют точного контроля для сохранения квантовых свойств. Любое внешнее воздействие может разрушить их, вызывая декогеренцию и потерю информации. Если декогеренция наступает до завершения вычислений, результат становится нечитаемым. Это происходит потому что информация, хранящаяся в кубите, исчезает. Декогеренция нарушает состояние суперпозиции кубита и лишает его возможности обрабатывать информацию.
Декогеренция вызывает ошибки (называемые «переворотом битов») в квантовых вычислительных системах. Классический компьютер очень точен в вычислениях, но лучшие квантовые модели допускают одну ошибку на каждые 1000 операций. Поддерживать когерентность становится сложнее с ростом количества кубитов, поэтому самые продвинутые квантовые процессоры с трудом превышают 100 кубитов. Для практического устройства потребуется несколько тысяч кубитов.
Примерно десять лет назад физики предложили новый вид кубитов — «кошачий кубит» — для решения этой проблемы.
Вдохновленный экспериментом с котом Шредингера, этот тип кубитов способен самостоятельно исправлять ошибки за счет квантовой суперпозиции, подобной состоянию кота в коробке (согласно предположению, кот может быть и мёртвым, и живым, пока коробка не открыта).
Экспериментальное подтверждение этой (способности к самокоррекции) – задача непростая. Команда из Высшей нормальной школы (Франция) и французской компании Alice & Bob, занимающейся квантовыми вычислениями, представила первый кошачий кубит, устойчивый к ошибкам в течение более 10 секунд — в 10 000 раз дольше, чем в предыдущих экспериментах.
Стойкость к ошибкам в 10 000 раз выше
Создавая кошачий кубит, учёные применили сверхпроводящий резонатор, также известный как осциллятор. Это микросхема, образованная крошечными сверхпроводящими цепями, со сквозным отверстием для захвата света. Проникающий внутрь свет может колебаться двумя способами. Вместо навязывания ему одного направления движения специалисты позволили свету колебаться одновременно в двух, сформировав состояние квантовой суперпозиции, аналогичное тому, что описывается мысленным экспериментом «Кот Шредингера» — отсюда и наименование.
Несмотря на успешное создание кошачьего кубита, исследователи несколько лет фиксировали перевороты битов каждые несколько миллисекунд. В последнее время выяснилось, что проблема связана с методом измерения состояния полученного кубита. Пересмотрев протокол, удалось запустить кошачий кубит без переключений в течение 10 секунд.
Этот первый функциональный кошачий кубит может открыть дорогу созданию надежных и полезных квантовых компьютеров. Такие компьютеры смогут использовать больше кошачьих кубитов для вычислений, а не только для исправления ошибок. Эксперты, участвующие в исследовании, считают, что этот новый тип кубитов может сократить число кубитов, необходимых для исправления ошибок, в 10 раз по сравнению с существующими устройствами, которые используют сверхпроводящие цепи.
Важно отметить, что переворачивание битов — не единственный тип ошибок, которые должны исправлять кошачьи кубиты. Истинная устойчивость к переворотам может сделать их более уязвимыми для других типов ошибок. Несмотря на то, что производительность, достигнутая в исследовании, является значительным прогрессом, перед реальным применением предстоит решить множество проблем.