Чем больше состояний в одном кванте, тем меньше шансов, что он развалится — Йель доказал это на кудитах и машинном обучении

Исследователи из Йельского университета провели первый в истории успешный эксперимент по исправлению ошибок в многомерных квантовых системах — и это может стать важным шагом на пути к более устойчивым и мощным квантовым компьютерам.

Вместо привычных кубитов, которые хранят информацию в двух состояниях (0 и 1), команда использовала кудиты — квантовые аналоги, способные находиться сразу в трёх (кютрит) или четырёх (квакварт) состояниях. Это расширяет так называемое гильбертово пространство — набор всех возможных квантовых состояний системы. Чем больше размерность этого пространства, тем более сложные вычисления можно выполнять, а главное — тем эффективнее работают алгоритмы квантовой коррекции ошибок (QEC), без которой ни о какой надёжности речи не идёт.

До сих пор большинство экспериментальных подходов к квантовой коррекции ошибок опирались только на кубиты. Но в новой работе, опубликованной в журнале Nature, исследователи впервые применили знаменитый бозонный код Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP) к кудитам. Они показали, что с его помощью можно не просто стабилизировать квантовую информацию, но и эффективно защищать её от шумов и сбоев — даже в условиях повышенной потери фотонов и фазовых искажений.

Чтобы адаптировать GKP-коды для кютрита и квакварта, учёные применили алгоритм обучения с подкреплением — разновидность машинного обучения, в которой система методом проб и ошибок учится исправлять ошибки и выполнять операции с минимальными потерями.

По сути, им удалось превзойти ключевой порог: в ходе эксперимента квантовая память с коррекцией ошибок работала лучше, чем без неё. Это доказывает, что переход от кубитов к кудитам может не только расширить доступные логические состояния, но и сделать архитектуру квантовых устройств более компактной и устойчивой.

Да, есть и издержки: увеличение числа состояний в одной физической системе ведёт к более высокой подверженности шуму. Но выигрыш в масштабируемости и устойчивости выглядит более чем перспективным.

Результаты этой работы могут ускорить разработку квантовых компьютеров нового поколения и повлиять на ключевые области — от криптографии и моделирования материалов до поиска новых лекарств.