Ученые создали квантовый код кота Шредингера для защиты кубитов от ошибок

Квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для кодирования и обработки данных, что позволяет им решать вычислительные задачи, недоступные для современных компьютеров. В то время как последние работают с битами, которые представляют собой либо 0, либо 1, квантовые компьютеры используют квантовые биты или кубиты - основные единицы квантовой информации.

В отличие от классических битов, кубиты могут существовать в состоянии “суперпозиции” обоих состояний 0 и 1 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам одновременно исследовать несколько решений, что может сделать их значительно быстрее в некоторых вычислительных задачах. Однако квантовые системы являются хрупкими и подвержены ошибкам, вызванным взаимодействием с окружающей средой.

«Квантовые вычисления могут изменить обширные области науки, промышленности и общества, начиная от открытия лекарств и заканчивая оптимизацией и моделированием сложных биологических систем и материалов», — говорит профессор Винченцо Савона, директор Центра квантовой науки и техники. в EPFL.

Вместе с физиками из EPFL Лука Гравина и Фабрицио Минганти он сделал значительный прорыв , предложив “критический код кота Шредингера” для повышения устойчивости к ошибкам. Исследование представляет собой новую схему кодирования, которая может революционизировать надежность квантовых компьютеров.

Что такое “критический код кота Шредингера”?

В 1935 году физик Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент в качестве критики преобладающего тогда понимания квантовой механики - интерпретации Копенгагена. В эксперименте Шредингера кошка помещается в запечатанный ящик вместе с радиоактивным образцом, детектором и смертельной дозой яда. Если радиоактивный материал распадается, детектор срабатывает и разбивает флакон. Яд высвобождается, убивая кошку.

Согласно интерпретации Копенгагена квантовой механики, если атом изначально находится в суперпозиции, кошка унаследует то же состояние и окажется в суперпозиции живого и мертвого. “Это состояние представляет собой именно понятие квантового бита, реализованного в макроскопическом масштабе”, - говорит Савона.

В последние годы ученые черпали вдохновение у кошки Шредингера, чтобы создать технику кодирования, называемую “кодом Шредингера”. Здесь состояния 0 и 1 кубита кодируются на две противоположные фазы колеблющегося электромагнитного поля в резонансной полости, аналогично состояниям мертвого или живого кошки.

“Коды Шредингера были реализованы в прошлом с использованием двух различных подходов, - объясняет Савона. - Один использует ангармонические эффекты в полости, другой основывается на тщательно спроектированных потерях полости”.

Новое исследование представляет собой третий подход, который сочетает в себе преимущества двух предыдущих. “Мы предложили использовать критическое состояние полости, которое возникает при определенном значении потерь полости. В этом случае мы можем кодировать кубит на двух различных состояниях Шредингера, которые имеют одинаковую амплитуду и фазу, но разные частоты”, - говорит Савона.

Это позволяет создать квантовый код Шредингера, который защищает кубит от ошибок, вызванных декогеренцией - процессом, при котором квантовая система теряет свою когерентность из-за взаимодействия с окружающей средой. “Наш код может исправлять ошибки как по фазе, так и по амплитуде. Кроме того, он может быть обобщен для защиты нескольких кубитов одновременно”, - добавляет Савона.

Ученые также продемонстрировали возможность реализации своего кода на существующих экспериментальных платформах. “Наш код может быть реализован на основе сверхпроводящих цепей или оптических полостей с нелинейными элементами. Мы надеемся, что наши результаты стимулируют экспериментальные усилия по созданию этого нового типа квантового кода”, - заключает Савона.

Результаты опубликованы в журнале PRX Quantum.