Квантовый компьютер научился исправлять свои ошибки

Когда наконец удастся создать полнофункциональный квантовый компьютер, человечество вступит в новую эру вычислительных возможностей. По сравнению с квантовым компьютером, современные вычислительные машины — это примитивное рубило каменного века. По вычислительной мощи даже один квантовый компьютер из нескольких сотен квантовых битов (кубитов) в некоторых задачах может "заткнуть за пояс" все современные компьютеры вместе взятые. Однако, создать такой компьютер очень сложно, поскольку квантовая система очень восприимчива к внешним воздействиям, из-за чего  возникает множество ошибок, нарушающих работу квантового компьютера.

"Одной из самых больших проблем квантовых вычислений является то, что кубиты уже по своей природе "неисправны", — рассказывает один из авторов исследования аспирант Джулиан Келли (Julian Kelly) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. — Кубиты мгновенно "забывают" всю информацию, которую вы хотите сохранить в квантовом компьютере".

Другими словами, для надежных квантовых вычислений нужно множество раз воспроизводить и сохранять стабильное состояние кубитов. Но как это сделать, если даже измерение этого состояния нарушает стабильность всей системы? В отличие от классической схемы вычислений, где биты информации определяют варианты "да" или "нет" (0 или 1), квантовые компьютеры используют кубиты, способные одновременно существовать в любых позициях одновременно. Именно это свойство, называемое суперпозиция, дает квантовым компьютерам феноменальную вычислительную мощь. Однако суперпозиция приводит к неконтролируемой мгновенной смене состояний кубита, поэтому квантовым компьютером сложно управлять.

Для решения этой проблемы команда ученых во главе с Джулиан Келли разработала особую квантовую схему из девяти кубитов, которые ищут ошибки в системе. Дополнительные кубиты отвечают за сохранность информации, содержащейся в соседних кубитах. В случае обнаружения ошибок, схема исправляет их. Таким образом информация сохраняется дольше, нежели с использованием одиночного кубита.

Схема использует девять кубитов для обнаружения ошибок в квантовом компьютере

Принцип работы схемы обходит ограничения по невмешательству в состояние кубита. Любое измерение состояния кубита приводит к тому, что он теряет суперпозицию и оказывается в одном "фиксированном" состоянии, что нарушает работу квантового компьютера. Новая схема использует алгоритм, разработанный физиком Остином Фаулером (Austin Fowler). Для исправления ошибок он использует не дублирование данных, как в обычных компьютерах, а обсчет вероятного состояния основных кубитов на основании измерения состояния смежных кубитов. Сам Фаулер сравнивает алгоритм с решением судоку: "Можно извлечь достаточно информации, чтобы обнаружить ошибки, но нет необходимости "заглядывать под капот машины" и нарушать суперпозицию основных кубитов".

По заявлению разработчиков, их конструкция квантового компьютера является первым примером квантового устройства, способного надежно хранить и обрабатывать информацию. Конечно, схема с дополнительными кубитами усложняет конструкцию квантового компьютера: для сложных расчетов потребуются до 100 млн кубитов, тогда как сегодня прототипы квантовых компьютеров имеют ядро лишь из 512 кубитов. Тем не менее, без системы корректировки ошибок квантовый компьютер неработоспособен.