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 .