Квантовый компьютер научился исправлять свои ошибки

Физики нашли способ преодолеть главный барьер на пути создания полноценного квантового компьютера. Ученые разработали квантовую схему, которая умеет самостоятельно исправлять свои ошибки.

Когда наконец удастся создать полнофункциональный квантовый компьютер, человечество вступит в новую эру вычислительных возможностей. По сравнению с квантовым компьютером, современные вычислительные машины — это примитивное рубило каменного века. По вычислительной мощи даже один квантовый компьютер из нескольких сотен квантовых битов (кубитов) в некоторых задачах может "заткнуть за пояс" все современные компьютеры вместе взятые. Однако, создать такой компьютер очень сложно, поскольку квантовая система очень восприимчива к внешним воздействиям, из-за чего  возникает множество ошибок, нарушающих работу квантового компьютера.

"Одной из самых больших проблем квантовых вычислений является то, что кубиты уже по своей природе "неисправны", — рассказывает один из авторов исследования аспирант Джулиан Келли (Julian Kelly) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. — Кубиты мгновенно "забывают" всю информацию, которую вы хотите сохранить в квантовом компьютере".

Другими словами, для надежных квантовых вычислений нужно множество раз воспроизводить и сохранять стабильное состояние кубитов. Но как это сделать, если даже измерение этого состояния нарушает стабильность всей системы? В отличие от классической схемы вычислений, где биты информации определяют варианты "да" или "нет" (0 или 1), квантовые компьютеры используют кубиты, способные одновременно существовать в любых позициях одновременно. Именно это свойство, называемое суперпозиция, дает квантовым компьютерам феноменальную вычислительную мощь. Однако суперпозиция приводит к неконтролируемой мгновенной смене состояний кубита, поэтому квантовым компьютером сложно управлять.

Для решения этой проблемы команда ученых во главе с Джулиан Келли разработала особую квантовую схему из девяти кубитов, которые ищут ошибки в системе. Дополнительные кубиты отвечают за сохранность информации, содержащейся в соседних кубитах. В случае обнаружения ошибок, схема исправляет их. Таким образом информация сохраняется дольше, нежели с использованием одиночного кубита.

Схема использует девять кубитов для обнаружения ошибок в квантовом компьютере

Принцип работы схемы обходит ограничения по невмешательству в состояние кубита. Любое измерение состояния кубита приводит к тому, что он теряет суперпозицию и оказывается в одном "фиксированном" состоянии, что нарушает работу квантового компьютера. Новая схема использует алгоритм, разработанный физиком Остином Фаулером (Austin Fowler). Для исправления ошибок он использует не дублирование данных, как в обычных компьютерах, а обсчет вероятного состояния основных кубитов на основании измерения состояния смежных кубитов. Сам Фаулер сравнивает алгоритм с решением судоку: "Можно извлечь достаточно информации, чтобы обнаружить ошибки, но нет необходимости "заглядывать под капот машины" и нарушать суперпозицию основных кубитов".

По заявлению разработчиков, их конструкция квантового компьютера является первым примером квантового устройства, способного надежно хранить и обрабатывать информацию. Конечно, схема с дополнительными кубитами усложняет конструкцию квантового компьютера: для сложных расчетов потребуются до 100 млн кубитов, тогда как сегодня прототипы квантовых компьютеров имеют ядро лишь из 512 кубитов. Тем не менее, без системы корректировки ошибок квантовый компьютер неработоспособен.