Исследователи из Федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich) разработали новый метод выполнения квантовых операций, который значительно снижает частоту ошибок в нейтрально-атомных квантовых компьютерах. Используя физическое явление, известное как геометрическая фаза, этот подход создает логические элементы SWAP (обмена), которые гораздо стабильнее традиционных решений, приближая технологию к практическому использованию в крупных масштабах.
Результаты, опубликованные 8 апреля в журнале Nature, решают одну из самых стойких проблем квантовых вычислений: экстремальную чувствительность кубитов к ошибкам, вызванным фоновым шумом и несовершенствами оборудования.
Проблема: хрупкость перед лицом шума
Мощность квантовых компьютеров основана на кубитах, которые могут находиться в суперпозиции состояний (одновременно и 0, и 1). Для выполнения вычислений эти системы используют логические вентили для манипуляции кубитами. Критически важным компонентом является вентиль SWAP, который меняет местами состояния двух кубитов, позволяя маршрутизировать информацию через процессор.
Однако текущие методы создания вентилей SWAP в нейтрально-атомных системах крайне чувствительны. Обычно такие системы используют лазеры для фиксации нейтральных атомов (например, калия) на месте, формируя оптическую решетку. Традиционные вентили SWAP опираются на:
* сильно возбужденные электронные состояния;
* атомные столкновения;
* квантовое туннелирование.
Эти методы сильно зависят от точной синхронизации и интенсивности лазеров. Даже микроскопические колебания силы лазера или времени воздействия могут вызвать ошибки, приводящие к срабатыванию вентиля. Эта чувствительность способствует высокой частоте ошибок современных кубитов — около 1 к 1000 — по сравнению с частотой ошибок в 1 к триллиону у обычных кремниевых битов. Это расхождение мешает масштабированию квантовых компьютеров для превзойдения классических суперкомпьютеров.
Решение: геометрия вместо времени
Команда ETH Zurich под руководством постдока Янн Хендрик Кифера обошла эти уязвимости, используя геометрическую фазу.
В отличие от традиционных «динамических» вентилей, которые требуют строгого контроля над уровнями энергии, таймингом и интенсивностью лазера, геометрические вентили опираются на траекторию, которую квантовая система проходит в пространстве состояний.
«Манипуляция этой волновой функцией обычно вносит фазу в волновую функцию, которая может иметь как динамическое, так и геометрическое происхождение», — объясняет Кифер. «Геометрический подход работает иначе: вместо зависимости от точного времени или силы воздействия он зависит в основном от общего пути, который система проходит от начала до конца».
В данной настройке десятки тысяч атомов калия охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, и удерживаются на месте пересекающимися лазерными лучами. Когда два атона приближаются настолько, что их квантовые волны перекрываются, их совместное состояние изменяется исключительно на основе геометрии их движения. Поскольку это изменение не зависит от скорости движения атомов или интенсивности лазеров, операция естественно устойчива к экспериментальному шуму.
Рекордная точность и масштаб
Практическое значение этого метода велико. Исследовательская группа продемонстрировала вентиль SWAP со следующими показателями производительности:
* Точность: лучше 99,91%.
* Скорость: работает менее чем за одну миллисекунду.
* Масштаб: успешно применен одновременно к 17 000 парам кубитов.
Хотя сверхпроводящие или ионно-ловушечные системы могут достигать более высокой скорости вентилей (менее микро секунды), они обычно работают только с несколькими парами кубитов за раз. Метод ETH Zurich предлагает уникальное сочетание высокой точности и массового параллелизма, что необходимо для создания крупных квантовых процессоров.
Последствия для будущего квантовых вычислений
Исследование также подтвердило создание «полувентиля SWAP», который жизненно важен для запуска сложных квантовых алгоритмов. В отличие от полного обмена, который просто перемещает информацию, полувентиль частично меняет состояния местами, создавая квантовую запутанность — уникальную корреляцию между кубитами, которая обеспечивает квантовым компьютерам экспоненциальную вычислительную мощность.
Это достижение ставит под вопрос прежние предположения о ресурсах, необходимых для практических квантовых вычислений. Ранее считалось, что для запуска таких алгоритмов, как алгоритм Шора, способного разлагать большие числа на множители и взламывать современное шифрование, потребуются миллионы кубитов. Однако недавние исследования показывают, что с более точными вентилями, подобными тем, что разработаны в ETH Zurich, такие задачи потенциально можно решить всего лишь с 10 000 кубитами.
Заключение
Хотя создание практичного квантового компьютера, устойчивого к ошибкам, остается задачей в процессе решения, этот геометрический подход отмечает критически важный шаг вперед. Разделив квантовые операции от шума лазерного контроля, исследователи создали путь к более стабильным и масштабируемым системам, постепенно превращая мечту о мощных квантовых вычислениях в реальность.
