В классических системах для коррекции ошибок используется простой прием: каждая единица информации копируется несколько раз, и даже при потере части данных остается возможность восстановить исходную информацию. Однако в квантовых компьютерах такой подход невозможен. Квантовые биты — кубиты — нельзя просто скопировать, да и измерение их состояния приводит к так называемому «коллапсу» волновой функции, фактически уничтожая квантовую информацию. Именно поэтому обнаружить и устранить ошибки в квантовых вычислениях крайне сложно.
Традиционно для этой цели в квантовых системах используют дополнительные физические кубиты, которые «запутываются» с логическими кубитами — носителями информации. Вместо того чтобы напрямую измерять логические кубиты, ученые получают сведения об ошибках через вспомогательные. Однако такой подход требует слишком много ресурсов и плохо масштабируется: чем больше физических кубитов задействовано, тем больше энергии нужно для работы всей системы.
Разработка инженеров компании Microsoft стала альтернативным решением этой проблемы. Новый подход основан на так называемых четырехмерных геометрических кодах, которые позволяют проводить проверку на наличие ошибок за один проход и при этом используют в 1000 раз меньше ресурсов, чем традиционные методы.
Суть технологии заключается в наложении специального кода на квантовую систему, с использованием четырехмерной топологии, по форме напоминающей тор — поверхность, похожую на пончик. Такое представление позволяет обеспечить самокоррекцию квантовой памяти. Новизна подхода заключается в «скручивании» геометрии этого тора, что позволяет охватить ту же область системы с меньшим количеством кубитов, физически задействованных в процессе. Это создает расширенное представительное пространство, которое отражает больший объем квантового состояния, но не нарушает при этом процессы, которые протекают внутри системы. Ученые протестировали свою теорию на реальных квантовых компьютерах и опубликовали предварительные результаты в архиве научных препринтов arXiv. Статьи пока что не прошли рецензирование, но сами результаты уже вызвали оживленную реакцию в научном сообществе.
Кроме того, в ходе экспериментов ученым удалось реализовать принципиально новый метод замены утерянных атомов, выступающих в роли кубитов. В некоторых системах они удерживаются на месте с помощью лазерных пинцетов, но в процессе вычислений могут быть потеряны. Оказалось, что можно «дозаполнить» массив квантовых битов в реальном времени, используя атомный пучок, при этом не нарушая хода вычислений. Это открывает перспективы для создания более надежных квантовых машин.
Тем временем в РФ подготовили «инструкцию» по созданию многоуровневых квантовых процессоров.
