Фотонные кубиты совершают прорыв: квантовые вычисления при комнатной температуре

Учёные продемонстрировали, что фотонный кубит — квантовый бит, основанный на частице света, — способен обнаруживать и исправлять собственные ошибки при работе в обычных условиях, без сверхнизких температур. Это важный шаг на пути к созданию масштабируемых квантовых процессоров.

В новом исследовании, опубликованном 4 июня в журнале Nature, специалисты канадского квантового стартапа Xanadu создали на кремниевом чипе так называемое «состояние Готтсмана — Китаева — Прескилла» (GKP).

GKP-состояния — это особый тип квантовых состояний, которые распределяют информацию между несколькими фотонами таким образом, что даже небольшие ошибки можно быстро обнаружить и исправить. Это значит, что каждый кубит способен корректировать себя сам, без необходимости объединяться в большие массивы избыточных кубитов — как это обычно делается в современных методах квантовой коррекции ошибок.

Учёные заявили, что впервые удалось создать устойчивое к ошибкам квантовое состояние с помощью процесса, совместимого с традиционным производством чипов.

Это открытие говорит о том, что квантовые системы с коррекцией ошибок можно производить на тех же линиях, что и обычные компьютерные чипы. А значит, надёжные квантовые компьютеры, работающие при комнатной температуре, стали на шаг ближе к реальности.

Проблема охлаждения кубитов

Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем классические. Если обычные компьютеры хранят информацию в битах (0 или 1), то квантовые системы используют кубиты, которые могут находиться в суперпозиции — одновременно и в нуле, и в единице. Это позволяет им решать сложные задачи параллельно, что в будущем может превзойти возможности классических систем.

Однако кубиты чрезвычайно хрупкие. Даже малейшие колебания температуры, электромагнитные помехи или фоновый шум могут разрушить их состояние и повредить данные.

Чтобы этого избежать, большинство квантовых систем работают при температурах, близких к абсолютному нулю (−273,15 °C), используя сложные системы охлаждения для поддержания когерентности — хрупкой квантовой связи, благодаря которой кубиты выполняют вычисления.

Хотя охлаждение помогает сохранить квантовую информацию, оно делает компьютеры громоздкими, дорогими и сложными для масштабирования. Компания Xanadu предлагает решение: использовать фотоны (частицы света, не требующие сверхглубокого охлаждения) для создания кубитов, работающих на кремниевых чипах при комнатной температуре.

Коррекция ошибок внутри одного кубита

Демонстрация GKP-состояния решает ещё одну ключевую проблему: квантовую коррекцию ошибок. Большинство современных систем полагаются на группы физических кубитов, работающих вместе для обнаружения и исправления ошибок (так называемые «логические кубиты»). Однако фотонный кубит от Xanadu обходится без этого, выполняя коррекцию внутри самого себя, что упрощает аппаратную часть и открывает путь к более масштабируемым решениям.

«GKP-состояния — это в каком-то смысле идеальные фотонные кубиты, поскольку они позволяют выполнять логические операции и коррекцию ошибок при комнатной температуре, используя относительно простые и детерминированные методы», — заявил Закари Вернон, технический директор по аппаратному обеспечению в Xanadu.

Это достижение стало возможным благодаря уменьшению потерь света и улучшению характеристик чипов, компонентов и детекторов.

Новая разработка дополняет предыдущий проект Xanadu — Aurora, модульную квантовую платформу, соединяющую несколько фотонных чипов с помощью оптоволокна. Если Aurora решала задачу масштабирования в сети, то новый чип делает каждый кубит более устойчивым, что критически важно для создания отказоустойчивых квантовых систем.

Следующая задача — снижение оптических потерь (рассеивания и поглощения фотонов при прохождении через компоненты чипа). Если её удастся решить, это откроет путь к созданию полноценных квантовых компьютеров, способных работать без гигантских холодильных установок — и, возможно, совершить революцию в вычислениях.

Будущее квантовых технологий становится ближе — и оно может быть тёплым.