Квантовый прорыв: новый «геометрический» вентиль сделал атомные кубиты в 17 000 раз стабильнее

Исследователи создали новый тип «квантовой операции», который значительно стабильнее предыдущих методов. Это достижение приближает одну из аппаратных платформ — нейтральные атомные кубиты — к созданию полезных квантовых компьютеров.

Квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут находиться в состоянии 0, 1 или суперпозиции обоих. Основой их вычислительной мощности служат «вентили», способные переводить кубиты между этими состояниями, чтобы выполнять вычисления параллельно. Один из ключевых типов вентилей — обменный вентиль (swap gate), который позволяет маршрутизировать информацию внутри машины путём обмена состояниями двух кубитов.

Многие квантовые системы полагаются на сильно возбуждённые электронные состояния, столкновения между атомами, а также на туннельный эффект, когда частицы проходят сквозь препятствия, которые по законам классической физики были бы непреодолимы. Однако обменные вентили, использующие эти методы (особенно туннельный эффект), критически зависят от того, насколько быстро можно включить лазеры (которые удерживают нейтрально заряженные атомы для формирования кубитов) и от их мощности.

Это означает, что крошечные флуктуации во времени или силе лазера могут привести к ошибкам и снижению точности системы, делая вентиль ненадёжным.

Это упирается в главное узкое место, которое мешает учёным масштабировать квантовые вычисления, чтобы они превзошли самые быстрые суперкомпьютеры: кубиты крайне подвержены ошибкам и «разваливаются» во время вычислений. Уровень ошибок составляет примерно 1 на 1000 операций, тогда как у классических битов — 1 на триллион.

Чтобы решить эту проблему, учёные из ETH Zurich разработали способ сделать кубиты в нейтрально-атомных квантовых компьютерам гораздо более стабильными, чем когда-либо прежде. Они изложили свои результаты в исследовании, опубликованном 8 апреля в журнале Nature.

Открывая путь к более стабильным квантовым компьютерам

Вместо обычных вентилей команда использовала более тонкий физический эффект — геометрическую фазу. В отличие от других методов реализации квантовых вентилей для нейтральных атомов или захваченных частиц, которые зависят от того, насколько быстро и сильно толкают атомы, их обменный вентиль использует путь, который атомы проходят сквозь искусственный «кристалл из света», созданный пересекающимися лазерными лучами (оптическая решётка).

Платформы на нейтральных атомах обещают тысячи кубитов в одном устройстве. Данная установка использует десятки тысяч атомов калия, охлаждённых почти до абсолютного нуля и удерживаемых лазерным светом. Янн Хендрик Кифер, постдокторский исследователь Института квантовой электроники ETH Zurich и первый автор исследования, объяснил Live Science, как это работает.

«Лазерный свет — это не что иное, как монохроматическое электромагнитное излучение, — сказал Кифер в электронном письме. — Если нейтральный атом поместить в это электрическое поле, возникает дипольный момент, который создаёт силу, позволяющую нам удерживать атомы на месте».

Когда два таких атома калия сближаются настолько, что их квантовые волны перекрываются, их комбинированное состояние меняется таким образом, что зависит только от геометрии их движения, а не от того, как быстро они движутся или насколько интенсивны лазеры. Это делает обменную операцию гораздо менее чувствительной к экспериментальным шумам.

«Квантовая механика описывается волновыми функциями, — пояснил Кифер. — Манипуляция этой волновой функцией, как правило, вводит фазу волновой функции, которая может иметь либо динамическое, либо геометрическое происхождение».

Динамические квантовые методы создают эту фазу на основе высокоточной настройки таких параметров, как уровни энергии, время и мощность лазера, что означает: даже крошечные ошибки приводят к сбоям. Геометрический подход работает иначе: вместо зависимости от точного времени или силы он зависит в основном от общего пути системы от начала до конца. Благодаря этому он естественным образом менее чувствителен к внешним возмущениям или небольшим несовершенствам, что делает квантовые операции более стабильными и надёжными.

Создание машин, которым потребуется гораздо меньше кубитов, чем мы думали

Используя этот метод, исследовательская группа достигла очень устойчивого обменного вентиля с точностью более 99,91%, работающего менее чем за миллисекунду (одну тысячную секунды) в системе с впечатляющими 17 000 пар кубитов. Хотя некоторые сверхпроводящие или ионные вентили могут работать за доли микросекунды (одной миллионной секунды), эти системы обычно выполняют такие операции лишь на нескольких парах кубитов одновременно.

Команда также доказала, что способна создавать «полуобменные» вентили, которые критически важны для выполнения реальных квантовых алгоритмов. Полуобменные вентили — это квантовая операция, которая обменивает два кубита лишь частично, а не полностью, и они жизненно необходимы, потому что именно запутанность является особым ингредиентом квантовых вычислений. Полный обмен в основном просто перемещает информацию, тогда как полуобмен может как частично обменяться информацией, так и создать корреляции между кубитами, которые невозможны для классических битов. Учёные надеются в итоге объединить эти устойчивые обменные вентили с квантовым газовым микроскопом (который может визуализировать и воздействовать на отдельные пары атомов), чтобы построить более гибкую, программируемую квантовую архитектуру.

Тем не менее Кифер признаёт, что практический квантовый компьютер всё ещё очень далёк. «Квантовые вычисления в практическом масштабе всё ещё требуют значительных прорывов, — сказал он. — Наиболее ограничивающими факторами являются два: масштаб и точность (fidelity)». Однако исследователь сохраняет оптимизм. Он сослался на недавнее исследование, в котором изучалось, как однажды можно решать сложные задачи, такие как алгоритм Шора, с помощью системы, использующей всего лишь 10 000 кубитов, а не миллионы, как предполагалось ранее.

Но есть и ещё один многообещающий аспект: предложенный геометрический подход не требует экзотических материалов или сверхнизких температур за пределами уже существующих возможностей. Это делает его пригодным для масштабирования с использованием стандартной литографической техники. Более того, исследователи из MIT и Университета Мэриленда уже начали «адаптацию» этого метода для своей платформы на основе холодных атомов рубидия. Если эксперименты подтвердят воспроизводимость результата, уже через три-пять лет мы можем увидеть первые прототипы квантовых ускорителей, интегрированных в классические суперкомпьютеры для решения специфических задач, например, в материаловедении или криптографии. «Мы вступаем в фазу, когда мечта о квантовых компьютерах может действительно медленно превращаться в реальность, — заключил Кифер. — Впереди захватывающие времена!»