Физики из Оксфордского университета совершили прорыв в управлении квантовыми битами (кубитами), установив новый мировой рекорд точности. Им удалось снизить вероятность ошибки при выполнении логической операции с кубитами до невероятно малой величины — всего 0,000015%. Это означает, что сбой происходит лишь один раз на 6,7 млн производимых с кубитами операций.
Для сравнения: даже шанс человека быть пораженным молнией в течение года ниже (1 из 1,2 миллиона), чем вероятность ошибки в этой системе. Оксфордский результат почти на порядок превосходит предыдущий рекорд, также установленный этой группой в 2024 году.
Почему так важно уменьшать ошибки в квантовых расчетах? Любой полезный результат вычислений, проводимых на квантовом компьютере, требует выполнения миллионов операций на множестве кубитов. Если исходная ошибка операции слишком велика, итоговый результат станет бессмысленным из-за накопления сбоев. Хотя существуют методы коррекции ошибок, они требуют добавления огромного количества дополнительных кубитов для «страховки». Новый подход радикально снижает эту потребность, что потенциально позволит создавать меньшие по размеру, более быстрые и энергоэффективные квантовые компьютеры.
Ключом к успеху стала замена традиционного лазерного управления кубитом на микроволновые сигналы. В качестве кубита использовался ион кальция, удерживаемый в специальной ловушке. Ионы кальция можно считать надежными «контейнерами» для квантовой информации благодаря их стабильности и долгому времени жизни. Микроволновое управление также оказалось стабильнее, дешевле и проще в интеграции в чипы, чем лазерное. Более того, эксперимент проводился при комнатной температуре без магнитного экранирования, что существенно упрощает потенциальные требования к будущим устройствам.
Наука Mail попросила эксперта, который занимается похожими исследованиями в России, прокомментировать результат британских коллег.
Важно отметить, что такая высокая достоверность была получена в поверхностной ионной ловушке при комнатной температуре, где ионы подвержены значительно более высоким шумам, чем в криогенике, в частности, скорости нагрева ионов. Это позволяет ожидать дополнительного увеличения точности в будущем.
Как отмечает аспирантка и соавтор работы Молли Смит, такая точность также критична для других квантовых технологий, например, сверхточных часов или сенсоров.
Исследователи из Оксфорда, впрочем, подчеркивают, что их нынешнее достижение лишь часть большой задачи. Для полноценной работы квантовому компьютеру нужны как операции с одним кубитом (на которых и достигнут данный рекорд), так и операции с двумя кубитами (так называемые двухкубитные вентили). Пока что ошибки в двухкубитных операциях значительно выше. Даже лучшие современные демонстрации выдают примерно 1 ошибку на 2 тыс операций. Снижение этих ошибок станет следующим шагом на пути к созданию реальных, устойчивых к сбоям квантовых машин.
Российские исследователи также указывают на ограничения, сопровождающие поставленный британцами рекорд:
Данный результат был получен для ионов-43, управляемых микроволновым излучением. При использовании этой технологии время выполнения двухкубитных операций может быть больше, чем при использовании лазеров. Это ограничивает масштабирование такой платформы. В научной группе «Квантовые вычисления на холодных ионах» Российского квантового центра ведется активная разработка квантового компьютера, использующего оптические кубиты-40. Нами были достигнуты значения достоверности однокубитной операции в 99,97% и двухкубитной операции в 99,6%. Эти результаты приближают нас к возможности практического применения кодов коррекции ошибок и появлению прикладного квантового компьютера.
Работа, выполненная учеными Оксфорда при участии исследователя из Университета Осаки, продолжает эксперименты, которые ранее привели к созданию спин-оффа Oxford Ionics — одного из лидеров в разработке платформ для квантовых компьютеров на основе ионов, захваченных в ловушки.
Статья о новом достижении вышла в престижном научном журнале Physical Review Letters. Ранее мы рассказывали о квантовом чипе, который в 1 квадриллион раз быстрее лучшего в мире суперкомпьютера и об алгоритме, значительно ускоряющем решение задач оптимизации.