Точность 99,9%. Без права на ошибку. Физики заставили 34 000 кубитов работать синхронно и не терять данные

Квантовые компьютеры упираются не только в число кубитов, но и в куда более неприятную проблему: кубиты легко ошибаются во время вычислений. Команда ETH Zurich показала новый способ управлять нейтральными атомами и добилась точности выше 99,9% для квантового вентиля обмена. Операцию одновременно применили к 17 000 парам кубитов, а сам процесс занял меньше миллисекунды.

Кубит отличается от обычного бита тем, что может находиться не только в состоянии 0 или 1. Квантовая система допускает суперпозицию, где оба варианта сосуществуют до измерения. Благодаря этому квантовый компьютер может обрабатывать задачи иначе, чем классическая машина на кремниевых чипах. Но преимущество быстро исчезает, если операции над кубитами дают слишком много ошибок.

В квантовых вычислениях важную роль играют квантовые вентили. Через них система меняет состояние кубитов и выполняет логические операции. Один из базовых элементов - вентиль обмена SWAP. Он меняет квантовые состояния двух кубитов местами. В больших квантовых системах такая операция нужна, чтобы перемещать информацию между разными участками устройства и собирать более сложные вычислительные схемы.

Обычные реализации подобных операций требуют очень точного управления лазерами. Нейтральные атомы удерживают в ловушках из света: лазерное поле создаёт силу, которая фиксирует атомы в нужных местах. Но малейшие колебания мощности или времени работы лазера вносят ошибки. Для классических битов сбой уровня один на триллион уже считают реалистичным ориентиром, а для кубитов ошибки часто возникают примерно на уровне один на тысячу. Такой разрыв мешает строить крупные квантовые компьютеры.

Исследователи ETH Zurich выбрали другой принцип. Вместо операции, чувствительной к скорости движения атомов и мощности лазеров, группа использовала геометрическую фазу. Простыми словами, значение имеет не то, насколько резко или сильно систему толкали, а путь, который атомы прошли внутри искусственной кристаллической структуры из света. Такую структуру называют оптической решёткой: пересекающиеся лазерные лучи создают регулярный узор, где атомы можно удерживать почти как шарики в ячейках.

В эксперименте использовали ультрахолодные атомы калия. Когда две частицы сближают настолько, что их квантовые волны перекрываются, совместное состояние меняется. При геометрическом подходе результат зависит главным образом от траектории движения в оптической решётке. Поэтому случайные колебания лазеров и небольшие неточности установки меньше портят операцию.

Именно устойчивость дала главный результат. Команда ETH Zurich получила вентиль обмена с точностью более 99,9% и применила его параллельно к 17 000 парам кубитов. Для платформы на нейтральных атомах масштаб особенно важен: такие атомы не имеют электрического заряда, меньше реагируют на внешние помехи и хорошо подходят для массивов с большим числом кубитов.

Исследователи также показали частичный обмен, или half-swap. Полный SWAP просто переставляет квантовую информацию между двумя кубитами. Частичная версия делает больше: она может создавать корреляции между кубитами, включая квантовую запутанность. Без таких операций невозможно запускать реальные квантовые алгоритмы, в которых кубиты не просто хранят данные, а связываются друг с другом в единую вычислительную систему.

В чем практический смысл? Если квантовые вентили станут стабильнее, инженерам понадобится меньше лишних кубитов для исправления ошибок. Один из ориентиров - алгоритм Шора, квантовый алгоритм для разложения больших чисел на множители. Именно он часто появляется в разговорах о будущей угрозе для современной криптографии. По оценке одного из участников работы, более устойчивые операции на нейтральных атомах могут приблизить системы, которым хватит порядка 10 000 кубитов, а не миллионов.

До полноценного квантового суперкомпьютера всё ещё далеко. ETH Zurich показал сильную операцию для огромного числа пар, но работающий программируемый компьютер требует выборочного управления отдельными кубитами, чтения результата, исправления ошибок и сочетания разных типов вентилей. Следующим шагом исследователи называют объединение нового обменного вентиля с квантовым газовым микроскопом, чтобы различать отдельные пары кубитов и управлять выбранными участками массива.

Главный итог эксперимента - в смене способа управления. Нейтральные атомы давно считают перспективной платформой для больших квантовых машин, но лазерный шум и нестабильность операций мешали двигаться дальше. Геометрический вентиль показывает, что часть ошибок можно обойти не грубой мощностью, а более удачной физической схемой, где сама траектория атомов защищает вычисление от помех.