Внимание, квантовая аномалия: кремниевые кубиты выжили после обнаружения собственных ошибок

Группа физиков из Южного университета науки и технологий и Хэфэйской национальной лаборатории предложила способ находить ошибки в кремниевом квантовом процессоре так, чтобы сама проверка не разрушала запутанные состояния.

Квантовый компьютер обрабатывает данные иначе, чем обычная машина. Вместо битов там работают кубиты, состояния которых подчиняются квантовой механике. Один из главных эффектов, на котором все держится, называется запутанность. Несколько частиц образуют общее состояние, и измерение одной связано с параметрами других, даже если они находятся далеко друг от друга. За счет таких свойств квантовые алгоритмы в ряде задач, например в оптимизации, теоретически обходят классические методы. Проблема в другом. Подобные системы крайне чувствительны к шуму. Любые внешние колебания, дефекты среды или неточности управления вносят искажения и портят результат вычислений.

Авторы работы занялись именно этим узким местом. Они построили схему поиска ошибок для платформы на донорных атомах фосфора в кремнии. Квантовые данные в их устройстве кодируются в ядерных спинах таких примесей. Получается структура атомного масштаба, которая играет роль процессора. Ядерные спины выбирают не случайно. Они дольше сохраняют состояние и позволяют аккуратнее считывать информацию, чем многие другие варианты реализации кубитов.

В основе метода лежат стабилизаторы. Так называют математические правила, которые задают, каким должно быть корректное квантовое состояние. Если система работает без сбоев, результаты специальных проверочных измерений совпадают с расчетными значениями. Если появляется расхождение, значит произошла ошибка и можно понять, какого она типа. Такой подход давно используют в теориях квантовой коррекции, но на практике он требует очень точного и бережного считывания. Нужен режим, при котором измерение не разрушает закодированные данные. Его называют квантовым неразрушающим считыванием, или QND.

Исследователи собрали схему с минимальным числом элементов. Два кубита хранят полезную информацию. Еще два служат вспомогательными, их используют для проверки стабилизаторов. Такие дополнительные узлы часто называют анциллами. Донорный кластер в кремнии дает полную связность между участниками схемы, поэтому операции между ними настраивать проще. Ядерные спины позволяют проводить QND-считывание с высокой точностью, за счет чего проверка ошибок проходит без потери запутанности.

Для испытаний команда изготовила небольшой кремниевый процессор. В него вошли четыре ядерных спиновых кубита и один электронный спин. Четверку ядерных подготовили в сильно запутанном состоянии типа GHZ, по именам Гринбергера, Хорна и Цайлингера. В такой конфигурации вся группа описывается общей квантовой функцией, а не набором независимых состояний. На этой базе запустили стабилизаторную проверку и настроили ее так, чтобы она находила любые одиночные ошибки, затрагивающие отдельный кубит. Параллельно измерения показали, какие именно сбои чаще всего возникают в конкретной кремниевой реализации.

В экспериментах схема стабильно находила сбои в отдельных кубитах и не разрушала запутанное состояние системы. Проверка проходила без декогеренции, то есть без потери квантовой согласованности, на которой держатся вычисления. Данные после такой диагностики не пропадали и не искажались.

Отдельно исследователи увидели, что шум в системе распределяется неравномерно. Некоторые виды ошибок возникают заметно чаще остальных. Ранее такое предполагали по моделям, теперь это подтвердили прямыми измерениями через стабилизаторы. Такая статистика полезна на практике. Механизмы квантовой коррекции можно настраивать под конкретный тип помех, а не под усредненную картину. В результате требования к точности исправления становятся мягче, и большие схемы собрать проще.

В дальнейшем авторы собираются построить минимальный логический квантовый процессор. В нем операции будут выполнять уже не физические кубиты по отдельности, а логические единицы, собранные из нескольких элементов с защитой от ошибок. В планах подготовка логических состояний, реализация универсальных логических вентилей и запуск простых алгоритмов на таком уровне. Эксперимент с кремниевой платформой показывает, что стабилизаторный контроль можно встроить в реальное устройство без разрушения запутанных состояний, а не только описывать на бумаге.