Температура, вибрации, электричество — сотни врагов убивают квантовые компьютеры. Ученые нейтрализовали их всех

Исследователи из Прикладной физической лаборатории Университета Джонса Хопкинса и самой университетской группы сообщили о важном продвижении в изучении квантовых помех, которые остаются главным препятствием на пути к стабильным вычислительным устройствам нового поколения. Команда описала метод, позволяющий разбирать запутанные механизмы, искажающие работу квантовых алгоритмов, и тем самым точнее отслеживать, как конкретные типы возмущений вмешиваются в вычисления. Такой подход нужен разработчикам, поскольку любая неточность в модели приводит к ошибочным выводам о поведении аппаратных компонентов.

Современные квантовые процессоры одновременно сталкиваются с целым набором источников вмешательства. Изменение температуры, механические колебания, неустойчивое электропитание и эффекты на атомарном уровне легко нарушают состояние кубитов, которые должны находиться в определенной суперпозиции. Любой внешний фактор вызывает сдвиги в фазе, амплитуде или взаимной связи элементов вычислительной схемы. Чтобы контролировать такие процессы, инженерам необходимо понимать структуру возникающих искажений и то, как они распространяются внутри устройства.

Грегори Кирос из APL пояснил, что многие используемые модели чрезмерно упрощают картину. По его словам, актуальные инструменты часто фиксируют лишь разовые события, хотя наиболее разрушительные типы помех развиваются одновременно во времени и пространстве. Такие процессы затрагивают целые области чипа и могут накапливаться от шага к шагу. Из-за этих пробелов инженерам сложно проектировать устойчивые схемы коррекции, которые должны учитывать развитие возмущений в длительной перспективе и в разных участках вычислительного блока.

Чтобы обойти эту трудность, Кирос и аспирант Уильям Уоткинс решили использовать симметрию, один из ключевых математических инструментов, применяемых в теории групп и квантовой механике. Упорядоченная структура помогает выделять закономерности в сложных системах, где число взаимодействующих элементов растет экспоненциально. При увеличении количества кубитов растет и количество возможных переходов между состояниями, поэтому любая попытка описать систему напрямую быстро становится непосильной.

Уоткинс применил метод, известный как разложение по корневому пространству. Он позволяет представлять внутренние преобразования квантовой системы в виде связных компонентов, каждый из которых отражает определенный тип динамики. Эта техника встречается в других областях теоретической физики, однако до настоящего момента ее почти не использовали для анализа шумовых процессов. Исследователи отмечают, что методика буквально дала структуру задаче и позволила сформулировать новую языковую основу для описания поведения помех.

Созданный подход представляет вычислительную схему в виде лестницы, где каждая ступень соответствует отдельному состоянию системы. После этого исследователи накладывают конкретный тип возмущения и отслеживают, перемещается ли система на другую ступень или остается на прежнем уровне. Если наблюдается переход, используется один набор методов анализа. Если система сохраняет положение, применяется иной набор техник. Такая классификация помогает различать классы внешних воздействий и подбирать средства подавления для каждого типа.

Разработанная схема дает более ясное представление о том, как различные помехи формируют поведение квантовой схемы. Кирос подчеркнул, что подобная ясность важна для 2 направлений одновременно. Во-первых, инженеры смогут точнее моделировать характеристики материалов и топологию чипов. Во-вторых, программисты получат возможность адаптировать алгоритмы под реальные особенности оборудования и снижать чувствительность к шуму путем корректировок на уровне программной логики. В совокупности это повышает шансы приблизить появление квантовых компьютеров, способных выполнять масштабные задачи без критических ошибок.