Исследователи разрабатывают кубиты с «шумоподавлением», чтобы уменьшить количество ошибок в квантовых компьютерах

Несмотря на огромные перспективы решения новых видов проблем, современные квантовые компьютеры по своей природе подвержены ошибкам. Небольшое возмущение окружающей среды — например, изменение температуры, давления или магнитного поля — может разрушить хрупкие строительные блоки вычислений, называемые кубитами.

Теперь исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета разработали новый способ постоянного мониторинга шума вокруг квантовой системы и настройки кубитов в режиме реального времени для уменьшения ошибок.

Подход, описанный в наук, опирается на кубиты-наблюдатели: набор кубитов, встроенных в компьютер с единственной целью измерения внешнего шума, а не хранения данных. Информация, собранная этими кубитами-наблюдателями, может затем использоваться для подавления шума в кубитах для обработки жизненно важных данных.

помощник. Профессор Ханнес Бернен, руководивший исследованием, сравнивает новую систему с шумоподавляющими наушниками, которые постоянно отслеживают окружающий шум и излучают противоположные частоты, чтобы его подавить.

«Благодаря этому подходу мы можем очень сильно улучшить качество данных о кубитах», — сказал Бернин. «Я считаю это очень важным в контексте квантовых вычислений и квантового моделирования».

сложная задача

По мере расширения современных квантовых компьютеров возрастала проблема шума и ошибок. Проблема двоякая: кубиты легко изменяются в зависимости от окружающей среды, что может изменить информацию, хранящуюся в них, и привести к более высокому уровню ошибок. Кроме того, если ученый измеряет кубит, чтобы попытаться измерить шум, которому он подвергался, состояние кубита рушится, и его данные теряются.

«Попытка исправить ошибки в квантовой системе — очень сложная и пугающая задача», — сказал Бернин.

Физики-теоретики ранее предлагали решение с использованием кубитов-наблюдателей, которые представляют собой наборы кубитов, которые не хранят никаких необходимых данных, но могут быть встроены в квантовый компьютер. Средство просмотра кубитов будет отслеживать изменения в окружающей среде, действуя как микрофон внутри шумоподавляющих наушников. Микрофон, конечно, улавливает только звуковые волны, в то время как предлагаемые кубиты-наблюдатели реагируют на любые возмущения окружающей среды, способные изменить кубиты.

Два типа шумоподавляющих кубитов

Команда Бернина решила доказать, что эту теоретическую концепцию можно использовать для подавления шума в матрице нейтральных атомов — их любимом квантовом компьютере.

В нейтральном атомном квантовом процессоре атомы удерживаются на месте с помощью лазеров, называемых оптическими пинцетами, которые Бернин помог разработать, за что получил такие награды, как премия «Новые горизонты в физике» Фонда прорыва 2023 года. В больших массивах этих подвешенных атомов каждый действует как кубит, способный хранить и обрабатывать информацию при наложении.

В 2022 году Бернин и его коллеги впервые сообщают о возможности создания гибридного квантового процессора, содержащего атомы рубидия и цезия. Теперь они адаптировали этот процессор так, что атомы рубидия действуют как кубиты данных, а атомы цезия — как кубиты-наблюдатели. Команда разработала систему для непрерывного считывания данных в реальном времени с атомов рубидия и, в ответ, модуляции атомов цезия с помощью микроволновых колебаний.

Бернин сказал, что задача состоит в том, чтобы убедиться, что система работает достаточно быстро — любые модификации атомов рубидия должны были быть почти мгновенными.

«Что действительно интересно, так это то, что это не только уменьшает любой шум в кубитах данных, но и является примером реального взаимодействия с квантовой системой в реальном времени», — сказал Бернин.

Доказательство принципа

Чтобы проверить подход к уменьшению ошибок, группа Бернина подвергла квантовую матрицу шуму магнитного поля. Они показали, что атомы цезия правильно улавливают этот шум и что их система затем компенсирует его в атомах рубидия в реальном времени.

Тем не менее, исследовательская группа говорит, что прототип — это всего лишь отправная точка. Они хотели бы попробовать увеличить количество шума, разнообразить типы помех и проверить, работает ли этот подход.

«У нас есть интересные идеи о том, как мы можем значительно повысить чувствительность этой системы, но для ее реализации потребуется больше работы», — сказал Бернин. «Это была отличная стартовая площадка».

В конечном счете, Бернин предполагает, что система кубитов-наблюдателей может работать непрерывно в фоновом режиме любого нейтрального атомного квантового компьютера, а также квантовых компьютеров других архитектур, сводя к минимуму ошибки, когда компьютер хранит данные и выполняет вычисления.