Шум, который стал союзником: чип превратил главную слабость квантовых компьютеров в программируемый инструмент

Исследователи создали новый чип, превращающий одну из главных уязвимостей квантовых вычислений в программируемую функцию. По их словам, этот первый в своём роде эксперимент способен сыграть важную роль в разработке исправляющих ошибки и отказоустойчивых квантовых компьютеров будущего.

В отличие от цифровых битов классического компьютера, которые представлены либо как «включено», либо как «выключено», квантовый бит, или кубит, имеет гораздо более высокий процент сбоев — примерно 1 к 1 000, тогда как у цифровых битов этот показатель составляет примерно 1 к 1 миллиарду. Причина в том, что квантовые компьютеры подвержены «шуму» — помехам, которые часто называют главным барьером, мешающим квантовым компьютерам превзойти самые быстрые суперкомпьютеры.

По мере того как инженеры разрабатывают квантовые системы, достаточно масштабные для выполнения полезных функций, объём шума, как правило, возрастает. Учёные могут бороться с этим шумом с помощью различных методов коррекции ошибок. Однако, несмотря на недавний прогресс в этой области, задача создания по-настоящему отказоустойчивого квантового компьютера остаётся нерешённой.

Дело в том, что шум возникает из множества источников, многие из которых учёные не способны контролировать. Среди них — непредсказуемые возмущения магнитного поля Земли, излучение от расположенных поблизости Wi-Fi-роутеров и других электронных устройств, космические лучи из открытого космоса и даже соседние кубиты. Эта непредсказуемость чрезвычайно затрудняла изучение шума.

Но теперь исследователи придумали эксперимент, который переворачивает саму парадигму коррекции ошибок с ног на голову. Вместо того чтобы пытаться избавить квантовую систему от шума, они создали чип, позволяющий вводить ошибки по желанию, чтобы изучать шум и потери сигнала в контролируемой среде.

Программируемый железнодорожный узел для квантового света

В новом исследовании, опубликованном 9 мая в журнале Nature Communications, учёные описали, как этот квантовый вычислительный чип использует фотоны, захваченные из лазерных импульсов, в качестве кубитов. Чип также оснащён тем, что исследователи назвали «боковым каналом», — в него можно перенаправлять фотоны, чтобы команда могла имитировать потери, возникающие при нормальных условиях работы, и детально их изучать.

«Во многих квантовых экспериментах всё, что не вписывается в идеальную учебную картину, просто рассматривается как потери и игнорируется, — пояснил в заявлении Говинд Кришна, первый автор исследования и докторант KTH, Королевского технологического института в Швеции. — Наш чип позволяет нам моделировать эти неидеальные процессы контролируемым образом».

Чип можно программировать на имитацию ошибок множеством различных способов, что даёт возможность симулировать конкретные типы потерь, вызванных шумом. По сути, исследователи могут модулировать количество шума, моделируемого системой, чтобы генерировать условия для практического изучения. Делается это путём регулировки числа фотонов, уходящих в сторону, и степени квантовой суперпозиции, при которой кубиты обмениваются информацией в пространстве и времени через процесс, называемый квантовой запутанностью.

«Чип работает примерно как программируемый железнодорожный узел для квантового света, — объяснил Кришна. — Меняя управляющие сигналы, мы можем решать, останутся ли фотоны в основном на главном пути, будут ли в основном перенаправлены в канал потерь или же окажутся в суперпозициях, зависящих от их квантовой интерференции».

Шум как инструмент, а не помеха

Это означает, что сам шум становится активом, который учёные могут использовать для дальнейшего совершенствования квантовых вычислительных систем, вместо того чтобы пытаться его устранить. Согласно исследованию, новая конструкция чипа способна моделировать ошибки в любом типе квантовых систем — даже в нефотонных, таких как квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах или система на нейтральных атомах.

Конечная цель учёных — дать исследователям больше инструментов для изучения того, как шум проникает в квантовые схемы и накапливается в них. В теории это может привести к более глубокому пониманию того, как применять более эффективные методы коррекции ошибок в будущих системах, особенно по мере их масштабирования и усиления взаимодействия с окружающей средой.

«Понимание того, как квантовые системы ведут себя в условиях этого беспорядка, критически важно, если мы хотим, чтобы наши эксперименты говорили что-то о природе такой, какая она есть на самом деле, а не только об идеализированных установках», — резюмировал Кришна.

Если раньше инженеры напоминали сапёров, пытающихся обезвредить невидимые мины, то теперь они получили в руки карту минного поля и возможность расставлять и обезвреживать эти мины по собственному усмотрению. А это уже совсем другой уровень контроля.

Источники:
Исследование Krishna, G., Gao, J., O’Brien, S. и др. (2026). Emulation of coherent absorption of Fock-state quantum light in a programmable linear photonic circuit. Nature Communications, 17(1). DOI: 10.1038/s41467-026-72850-6; заявление Говинда Кришны для прессы (KTH Royal Institute of Technology); фото David Callahan (CC by 0).