Слишком много кубитов? Больше нет: квантовую логику удалось ужать до вибраций одного атома

Создание полноценного квантового компьютера по-прежнему упирается в ключевую проблему: хаотические сбои, которые неизбежно возникают в кубитах. Для их подавления вводятся специальные коды коррекции, где часть элементов системы тратится на слежение за остальными. Но чем больше требуется логических узлов, тем стремительнее растёт количество физических носителей, и эта зависимость превращается в практически неразрешимую инженерную задачу.

В лаборатории квантового управления Университета Сиднея выяснили, что масштаб можно сократить. Исследователи построили запутанный логический элемент на одном атоме, применив схему Готтесмана–Китаева–Прескилла, которую иногда называют камнем Розетты квантовой информатики. Она переводит плавные колебания квантовой системы в дискретные цифровые состояния. Такой приём облегчает выявление ошибок, позволяет их корректировать и делает возможным компактное размещение логических ячеек.

До недавнего времени код GKP оставался в области теории. Он обещал серьёзное уменьшение аппаратных затрат, но требовал исключительной точности управления и считался крайне трудным в реализации. Теперь эта концепция получила практическое воплощение. Для экспериментов использовали ион иттербия, удерживаемый в ловушке Паула. Его собственные гармонические вибрации послужили хранилищем для кодов GKP и одновременно позволили создать первые универсальные вентили между ними.

Авторы доказали, что в рамках одного атома можно разместить два логических узла и связать их квантовой запутанностью. Управление происходило через специальное программное обеспечение, разработанное на базе лаборатории и компании Q-CTRL. Оно позволяет проектировать операции таким образом, чтобы тонкая структура GKP сохранялась, а не разрушалась при обработке данных. В ходе серии испытаний удалось подтвердить возможность выполнения универсальных операций всего на одном ионе.

Главная ценность работы в том, что вместо огромных схем, где задействуются тысячи вспомогательных носителей, теперь достаточно минимальных ресурсов. Исследователи фактически построили систему из двух состояний колебаний атома. Каждое движение в разных направлениях рассматривалось как отдельный кубит. Их запутанность образовала логический вентиль, который может использоваться для вычислений.

Такой подход радикально снижает требования к аппаратной базе. Универсальные операции, реализованные в этой серии экспериментов, создают основу для будущих систем квантовой обработки информации, где эффективность достигается не за счёт роста числа носителей, а благодаря тонкому управлению их внутренними состояниями.

Исследование демонстрирует возможность строить квантовые вентили при помощи существенно меньшего числа ресурсов, чем предполагалось ранее. А это открывает путь к более компактным и реалистичным архитектурам, в которых каждый ион способен выполнять значительно больше функций, чем в традиционных конструкциях.