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.
Дополнительная информация:
Сингх и др., Коррекция связанных фазовых ошибок в средней цепи с использованием массива сторонних кубитов, наук (2023). DOI: 10.1126/science.ade5337
«Главный евангелист пива. Первопроходец в области кофе на протяжении всей жизни. Сертифицированный защитник Твиттера. Интернетоголик. Практикующий путешественник».
More Stories
Общество астмы предупреждает, что стойкие симптомы не являются нормой во Всемирный день астмы
Этот телескоп будет искать призрачные следы загадочной темной материи
Новое исследование связывает структуру с эффективностью взаимодействия