Квантовый компьютерный кубит способен работать в течение… 1,8 миллисекунды. При такой постановке дела приходится признать, что это очень мало. Однако эта производительность более или менее удвоила обычное время жизни кубита в работающем квантовом компьютере.

Создание работающего квантового компьютера… Эта идея в настоящее время является чем-то вроде святого Грааля в области вычислительной техники и привлекает исследователей со всего мира. Причина, по которой она вызывает такой интерес, заключается в том, что такой компьютер будет обладать беспрецедентной вычислительной мощностью. По всей вероятности, он будет способен в мгновение ока выполнять операции, которые обычные компьютеры выполняют с трудом. Однако сделать одну из таких машин работоспособной — тоже очень сложная задача.

УЧЕНЫЕ ЙЕЛЬСКОГО УНИВЕРСИТЕТА: Сумев заставить кубиты работать в течение 1,8 миллисекунды, они совершили большой прорыв. Их исследование было опубликовано в журнале Nature. Чтобы лучше понять их, давайте рассмотрим концепцию компьютеров и кубитов и узнаем, почему их так трудно приручить.

Квантовый компьютер — это машина, позволяющая производить вычисления на основе принципов квантовой физики. Вкратце, квантовая физика — это наука, изучающая поведение материи и света на микроскопическом или атомном уровне. Изучая поведение материи на этом уровне, исследователи выявили совершенно новые физические принципы. Одним из таких принципов является «квантовая суперпозиция», которая стала одним из ключей к квантовым вычислениям. Говоря конкретным языком, «квантовая суперпозиция» — это принцип, который объясняет, почему что-то, как бы непонятно нам это ни казалось, находится в «двух состояниях одновременно».

В применении к вычислениям этот принцип может быть очень полезен: он позволяет использовать кубиты для вычислений. Что такое кубиты? Чтобы понять это, нам нужно вернуться к базовому определению компьютера.

  • В «классическом» компьютере основной единицей информации является «бит». Он может находиться либо в состоянии «0», либо в состоянии «1». Именно совокупность этих «0» и «1» составляет коды, которые позволяют программировать компьютеры.
  • В квантовом компьютере нет битов, а есть «кубиты», или квантовые биты. Именно здесь вступает в игру принцип суперпозиции. Благодаря этому принципу, кубиты могут быть и 0, и 1, и даже находиться в промежуточных состояниях: 01, 10, 11 и т. д. Именно благодаря этому наложенному состоянию квантовый компьютер может использовать столь значительную вычислительную мощность.

Однако эта сила может быть и слабостью. Ведь кубиты очень чувствительны к внешним возмущениям. В большинстве случаев это фактически атомы. В целом, для проведения квантовых вычислений необходимо изолировать атомы, из которых состоят кубиты, и в то же время позволить им взаимодействовать друг с другом. Но, несмотря на все принятые меры предосторожности, в квантовых расчетах очень быстро могут возникнуть ошибки.

ПРЕСС-РЕЛИЗ УНИВЕРСИТЕТА ИНСБРУКА: «Квантовые компьютеры по своей природе гораздо более чувствительны к возмущениям и поэтому, вероятно, всегда будут нуждаться в механизмах коррекции ошибок, поскольку в противном случае ошибки будут бесконтрольно распространяться в системе и информация будет потеряна».

Исправление ошибок без создания новых

Управляя ошибками по мере их возникновения, а не устраняя их, исследователи из Йельского университета смогли сохранить работоспособность кубитов на более длительный срок. Идея исправления ошибок, возникающих в квантовых компьютерах по мере их возникновения, не нова, и в последнее время исследователи активно работают над этой темой. Одним из ключей, который может сделать такое исправление возможным, является так называемая «избыточность». В классических вычислениях избыточность — это идея иметь несколько копий данных: когда происходит ошибка, два результата расходятся, и поэтому легко сделать вывод, что была допущена ошибка.

В квантовых вычислениях все немного сложнее. Согласно теореме о запрете клонирования (еще один принцип квантовой физики), невозможно «скопировать» квантовую информацию. Однако некоторым ученым уже удалось создать наборы операций, которые позволяют реализовать принцип избыточности.

ГРУППА АВСТРИЙСКИХ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ (2022 ГОД): «Избыточность может быть достигнута путем распределения логической квантовой информации в запутанном состоянии нескольких физических систем, например, нескольких отдельных атомов».

Однако, по словам исследователей из Йельского университета, это первый случай, когда такой принцип был применен в реальном времени во время эксперимента. И не зря: сам факт введения этих поправок в систему является источником дополнительных возмущений для кубитов, что может оказаться контрпродуктивным.

МИШЕЛЬ ДЕВОРЕТ, ФИЗИК ЙЕЛЬСКОГО УНИВЕРСИТЕТА: «Впервые мы показали, что увеличение избыточности системы, активное обнаружение и исправление квантовых ошибок повышает устойчивость квантовой информации. Наш эксперимент показывает, что квантовая коррекция ошибок является реальным практическим инструментом».

Если этот метод и удалось сделать реальностью, то не благодаря крупному открытию.

ВЛАДИМИР СИВАК, ИССЛЕДОВАТЕЛЬ ИЗ GOOGLE: «Этот результат не является следствием одного открытия. На самом деле это комбинация целого ряда различных технологий, которые были разработаны в последние годы и которые мы объединили в этом эксперименте».

Конечно, впереди еще долгий путь, если учесть, что удвоение времени работы кубита составляет всего 1,8 миллисекунды. Однако этого недостаточно, чтобы поколебать энтузиазм ученых.

ВЛАДИМИР СИВАК: «Наш эксперимент подтверждает фундаментальную гипотезу квантовых вычислений, и это заставляет меня с большим энтузиазмом относиться к будущему этой области».