Квантовый компьютерный кубит способен работать 1,8 миллисекунды. Такое время работы покажется малому, но группа исследователей из Йельского университета добилась почти двукратного увеличения обычного времени жизни кубита в работающем квантовом компьютере.
Создание работоспособного квантового компьютера – цель настоящего времени. времяЭто нечто вроде святого Грааля в области вычислительной техники и привлекает исследователей со всего мира. Причина такого интереса заключается в том, что такой компьютер будет обладать беспрецедентной мощностью. Вероятно, он сможет мгновенно выполнять операции, которые обычные компьютеры выполняют с трудом. Однако создание работоспособной машины — тоже очень сложная задача.
Ученые из Йельского университета добились значительного прогресса, заставив кубиты функционировать в течение 1,8 миллисекунды. Результаты их работы представлены в журнале. Для лучшего понимания данного вопроса рассмотрим концепцию компьютеров и кубитов, а также узнаем, почему их так сложно подчинить.
Квантовый компьютер — машина, осуществляющая вычисления на основе законов квантовой физики. Квантовая физика изучает поведение материи и света на микроскопическом уровне. Изучая этот уровень, учёные обнаружили новые физические принципы. Один из них — «квантовая суперпозиция», которая стала ключом к квантовым вычислениям. «Квантовая суперпозиция» объясняет, почему что-либо может находиться в двух состояниях одновременно.
В расчётах этот принцип может оказаться полезным, так как позволяет применять кубиты для вычислений. Что представляют собой кубиты? Для понимания этого нужно вернуться к базовому определению компьютера. В классическом компьютере основная единица информации – бит. Он может находиться в состоянии «0» или «1». Совокупность этих «0» и «1» составляет коды, позволяющие программировать компьютеры. В квантовом компьютере нет битов, а есть кубиты, или квантовые биты. Именно здесь действует принцип суперпозиции: благодаря ему кубиты могут быть и 0, и 1, и находиться в промежуточных состояниях: 01, 10, 11 и так далее. Именно эта особенность квантового компьютера даёт ему значительную вычислительную мощность. Однако это может стать и слабостью, ведь кубиты очень чувствительны к внешним воздействиям.
В большинстве случаев речь идет о фактических атомах. Для проведения квантовых вычислений требуется изолировать атомы, составляющие кубиты, и одновременно позволить им взаимодействовать. Несмотря на принятые меры предосторожности, в квантовых расчётах могут быстро возникать ошибки. Квантовые компьютеры из-за своей природы очень восприимчивы к помехам и, возможно, навсегда потребуют систем проверки на ошибки. Без таковых ошибки безгранично размножатся в системе, а информация исчезнет. Метод коррекции ошибок объясняется в пресс-релизе Университета Инсбрука.
Исправление ошибок без создания новых
Исследователи Йельского университета сохранили работоспособность кубитов на более длительный срок, управляя ошибками по мере их возникновения. Идея исправления ошибок в квантовых компьютерах по ходу работы не нова и активно разрабатывается исследователями. Один из ключей к реализации такой коррекции — «избыточность». В классических вычислениях избыточность означает наличие нескольких копий данных: при ошибке результаты расходятся, что позволяет сделать вывод о допущенной ошибке.
В квантовых вычислениях все сложнее. Теорема о запрещении клонирования, являясь ещё одним принципом квантовой физики, говорит о невозможности «скопировать» квантовую информацию. Некоторые учёные сумели создать наборы операций, реализующие принцип избыточности: Избыточность можно получить, разделив логическую квантовую информацию между несколькими физическими системами, находящимися в сплетении, например, различными атомами. — пояснили, к примеру, австрийские учёные, работавших над этой темой в 2022 году.
Исследователи из Йельского университета утверждают, что это первый случай применения такого принципа во время эксперимента. Сам факт внесения изменений в систему может стать причиной новых возмущений для кубитов, что может навредить результату. Мы впервые продемонстрировали, что повышение избыточности системы, активное обнаружение и исправление квантовых ошибок увеличивают устойчивость квантовой информации. — разъясняет физик из Йельского университета Мишель Деворет в заявлении. — Наш эксперимент демонстрирует, что квантовая коррекция ошибок — это реальный практический инструмент.
Если этот метод воплотился в действительность, то не по причине какого-либо значительного открытия. Это открытие не единственное, что привело к такому результату. — разъясняет Владимир Сивак, исследователь из Google, ранее трудившийся в Йельском университете. «Это сочетание ряда технологий, созданных за последние годы и объединённых в этом эксперименте». Путь предстоит долгий, ведь удвоение времени работы кубита составляет всего 1,8 миллисекунды. Но этого достаточно, чтобы не охладить энтузиазм учёных. Эксперимент доказывает основную идею квантовых вычислений, что внушает оптимизм относительно их развития. «, — говорит Владимир Сивак.