Это последний прорыв Йельского университета в стремлении овладеть физикой, необходимой для полезного квантового компьютера, и управлять ею: исправление потока ошибок, возникающих среди хрупких битов квантовой информации, называемых кубитами, при выполнении задачи.
Новое исследование, сообщающее об открытии, опубликовано в журнале Nature. Главный автор – Мишель Деворе, Ф. Йельского университета.W. Бейнеке профессор прикладной физики и физики.
Соавторами исследования являются Александр Гримм, бывший научный сотрудник лаборатории Деворе, который сейчас работает штатным научным сотрудником в Институте Поля Шеррера в Швейцарии, и Николас Фраттини, аспирант в лаборатории Деворе.
Квантовые компьютеры могут трансформировать множество отраслей, от фармацевтики до финансовых услуг, позволяя проводить вычисления на несколько порядков быстрее, чем современные суперкомпьютеры.
Йельский университет, возглавляемый Деворетом, Робертом Шёлкопфом и Стивеном Гирвином, продолжает два десятилетия революционных квантовых исследований.
Подход Йеля к созданию квантового компьютера называется «схемой QED» и использует частицы микроволнового света (фотоны) в сверхпроводящем микроволновом резонаторе.
В традиционном компьютере информация кодируется как 0 или 1. Единственные ошибки, которые возникают во время вычислений, – это «перевороты битов», когда бит информации случайно переключается с 0 на 1 или наоборот.
Способ исправить это – создать избыточность: использовать три «физических» бита информации для обеспечения одного «эффективного» – или точного – бита.
Напротив, квантовые информационные биты – кубиты – подвержены как переворотам битов, так и «переворотам фазы», при которых кубит случайным образом переключается между квантовыми суперпозициями (когда одновременно существуют два противоположных состояния).
До сих пор квантовые исследователи пытались исправить ошибки, добавляя большую избыточность, требующую большого количества физических кубитов для каждого эффективного кубита.
Введите кошачий кубит – названный в честь кота Шредингера, знаменитый парадокс, используемый для иллюстрации концепции суперпозиции.
Идея состоит в том, что кота помещают в герметичный ящик с радиоактивным источником и ядом, который сработает, если атом радиоактивного вещества распадется. Теория суперпозиции квантовой физики предполагает, что до тех пор, пока кто-то не откроет коробку, кошка будет и живой, и мертвой, суперпозиция состояний. Открытие коробки для наблюдения за кошкой приводит к тому, что она резко меняет свое квантовое состояние случайным образом, заставляя ее быть либо живой, либо мертвой.
"Наша работа основана на новой идее. Почему бы не использовать умный способ кодирования информации в одной физической системе, чтобы напрямую подавлять один тип ошибок??"- спросил Деворет.
В отличие от нескольких физических кубитов, необходимых для поддержания одного эффективного кубита, один кубит-кот сам по себе может предотвратить смещение фазы. Кошачий кубит кодирует эффективный кубит в суперпозиции двух состояний в одной электронной схеме – в данном случае сверхпроводящий микроволновый резонатор, колебания которого соответствуют двум состояниям кошачьего кубита.
«Мы достигаем всего этого, применяя микроволновые частотные сигналы к устройству, которое не намного сложнее, чем традиционный сверхпроводящий кубит», – сказал Гримм.
Исследователи заявили, что они могут изменить свой кошачий кубит из любого состояния суперпозиции в любое другое состояние суперпозиции по команде. Кроме того, исследователи разработали новый способ считывания или идентификации информации, закодированной в кубите.
«Это делает систему, которую мы разработали, универсальным новым элементом, который, мы надеемся, найдет свое применение во многих аспектах квантовых вычислений со сверхпроводящими цепями», – сказал Деворет.
Соавторами исследования являются Гирвин, Шрути Пури, Шантану Мундхада и Стивен Тузард, все из Йельского университета; Мазьяр Миррахими из Inria Paris; и Шьям Шанкар из Техасского университета в Остине.
Министерство обороны США, Исследовательское управление армии США и Национальный научный фонд финансировали исследование.