Квантовото изчисление: крехко, но вече без грешки

В резултат на съвместни усилия испански и австрийски физици са кодирали експериментално квантов бит (кюбит), посредством заплетени състояния, разпределени върху няколко частици, и за първи път са провели прости изчисления с него.

Седемкюбитовият квантов регистър би могъл да се използва като основа за квантов компютър, коригиращ всякакви грешки. Изследователите са публикували резултатите си в Science.

Дори и компютрите са склонни да грешат. Най-слабото смущение може да измени съхранената информация и да обърка резултатите от изчисленията. Компютрите заобикалят тези проблеми посредством специални процедури, които постоянно откриват и коригират грешките. Това остава в сила и за бъдещия квантов компютър, който също ще изисква процедури за коригиране на грешките.

„Квантовите явления са крайно неустойчиви и склонни към грешки. Грешките могат да се разпространят бързо и сериозно да объркат работата на компютъра“, казва Томас Монц, член на групата на Райнер Блат от Института по експериментална физика към Университета на Инсбрук и Института за квантова оптика и квантова информация към Австрийската академия на науките.

Заедно с Маркус Мюлер и Мигел Анхел Мартин-Делгадо от Катедрата по теоретична физика на Complutense Universidad, Мадрид, физиците от Инсбрук са разработили нов квантов метод за коригиране на грешките и са го тествали експериментално.

„Квантовият бит е крайно сложен и не може просто да бъде копиран. Нещо повече – грешките в микроскопичния квантов свят са по-разнообразни и по-трудни за коригиране, отколкото при конвенционалните компютри – подчертава Монц. – За да засичаме и коригираме общи грешки в квантовия компютър, ние се нуждаем от доста усъвършенствани кодове за коригиране на грешките.“

Топологичният код, използван за конкретния експеримент, е предложен от групата на Мартин-Делгадо. Той подрежда кюбитовете в двумерна решетка, където те могат да взаимодействат със съседните частици.

Квантов бит, кодиран със седем йона

За целите на експеримента физиците от Инсбрук захванали седем калциеви атома в йонен капан. Това позволява тези атоми да се охладят почти до абсолютната нула и прецизно да бъдат управлявани с лазерни лъчи. Изследователите кодирали крехките квантови състояния на един логически кюбит в заплетените състояния на тези частици.

„Кодирането на един логически кюбит посредством седем физически кюбита беше истинско експериментално предизвикателство“, обяснява Даниел Ниг от групата на Райнер Блат. Физиците са постигнали това в три стъпки, като на всяка стъпка са използвали сложна поредица от лазерни импулси за заплитане между четири съседни кюбита.

„За първи път ние можем да кодираме единичен квантов бит посредством разпределяне на неговата информация върху седем атома по управляем начин – казва Маркус Мюлер. – Когато заплитаме атомите по този специфичен начин, се обезпечава достатъчно информация за последващо коригиране на грешките и за изчисления.“

Операции без грешки

По-нататък физиците са тествали способността на използвания код да открива и коригира различни видове грешки. „Ние сме демонстрирали, че в тази квантова система сме в състояние независимо да откриваме и коригираме всяка възможна грешка за всяка частица“ казва Даниел Ниг.

„За да извършваме това, ние се нуждаем само от информация за корелациите между частиците и не е необходимо да извършваме измерване върху отделните частици“, обяснява колегата на Ниг – Естебан Мартинес. В добавка към надеждното откриване на единични грешки физиците за първи път са успели да извършат единични и повтарящи се операции върху логически кодирания кюбит.

„С този квантов код ние можем да извършваме основни квантови операции и едновременно да коригираме всички възможни грешки“, обяснява Томас Монц това решително постижение по пътя към създаването на надеждни и устойчиви на грешки квантови компютри.

База за бъдещи иновации

Това ново постижение на испанските и австрийските физици полага обещаваща основа за бъдещи иновации. „Тази седемйонна система, използвана за кодиране на един логически кюбит, може да бъде използвана като градивен блок за много по-големи квантови системи – казва теоретикът Мюлер. – При по-голяма решетка се постига по-голяма мощ. Резултатът може да бъде квантов компютър, извършващ произволен брой операции, без да бъде възпрепятстван от грешки.“

Описаният експеримент не просто открива нови пътища за технологични иновации: „Тук изникват напълно нови въпроси, например какви методи могат да се използват за характеризиране на такива големи логически кюбитове“, казва Райнер Блат.

„Нещо повече, ние бихме искали, съвместно да разработим използваните квантови кодове по-нататък, като ги оптимизираме за доста по-разширени операции“, добавя Мартин-Делгадо.

Изследователите са финансово подпомогнати от испанското министерство на науката, австрийския научен фонд, американското правителство, европейската комисия и федерацията на австрийските индустриалци – Тирол.