Квантовые вычисления развиваются, и такие гиганты, как Google и IBM, предоставляют свои услуги, но проблемы остаются из-за недостаточного количества кубитов и их восприимчивости к внешним воздействиям, требующим сложной запутанности для получения надежных результатов. Фотонные подходы предлагают работу при комнатной температуре и более высокие скорости, но сталкиваются с проблемами потерь; однако новый метод, продемонстрированный исследователями, использует лазерные импульсы для создания логических кубитов, исправляющих ошибки, что упрощает квантовые вычисления, но все еще требует улучшения устойчивости к ошибкам.
Исследователи успешно создали логический кубит, используя один световой импульс, обладающий способностью исправлять ошибки.
Значительные успехи были достигнуты в квантовые вычисления, а крупные международные компании, такие как Google и IBM, теперь предоставляют услуги квантовых вычислений через облако. Тем не менее, квантовые компьютеры пока не способны решить проблемы, возникающие, когда обычные компьютеры достигают потолка производительности. Это ограничение заключается, прежде всего, в том, что наличие кубитов или квантовых битов, т. е. основных единиц квантовой информации, все еще недостаточно.
Одна из причин этого заключается в том, что голые кубиты не могут быть немедленно использованы для запуска квантового алгоритма. В то время как двоичные биты обычных компьютеров хранят информацию в виде фиксированных значений 0 или 1, кубиты могут одновременно представлять 0 и 1, что приводит к вероятности их значения. Это известно как квантовая суперпозиция.
Это делает их очень восприимчивыми к внешним воздействиям, а значит, хранящаяся в них информация может быть легко утеряна. Чтобы гарантировать, что квантовые компьютеры выдают надежные результаты, необходимо создать настоящую запутанность, чтобы объединить несколько физических кубитов в логический кубит. Если один из этих физических кубитов выйдет из строя, остальные кубиты сохранят информацию. Однако одной из основных трудностей, препятствующих разработке функциональных квантовых компьютеров, является большое количество необходимых физических кубитов.
Преимущества фотонного подхода
Чтобы сделать квантовые вычисления жизнеспособными, используется множество различных концепций. Крупные корпорации в настоящее время полагаются, например, на сверхпроводящие твердотельные системы, но у них есть тот недостаток, что они функционируют только при температурах, близких к абсолютный ноль. Фотонные концепции, с другой стороны, работают при комнатной температуре.
Создание фотонного «состояния кота Шрёдингера» – другими словами, квантовой суперпозиции состояний амплитуды лазерного импульса, которые можно различить в макроскопическом масштабе (белый или чёрный кот) – может быть достигнуто только с использованием самых передовых квантово-оптических методов. и уже было продемонстрировано, что это возможно. В настоящем эксперименте, являющемся предметом исследования, оказалось возможным распространить его на три состояния (белая, серая и черная кошки). Таким образом, это легкое состояние приближается к логическому квантовому состоянию, в котором ошибки, в принципе, можно универсально исправить. Фото: Питер ван Лок.
Физическими кубитами здесь обычно служат одиночные фотоны. Эти фотоны, которые в некотором смысле являются крошечными частицами света, по своей природе работают быстрее, чем твердотельные кубиты, но в то же время их легче потерять. Чтобы избежать потерь кубитов и других ошибок, необходимо связать несколько одиночныхфотон световые импульсы вместе образуют логический кубит – как в случае подхода на основе сверхпроводников.
Кубит с присущей ему способностью исправлять ошибки
Исследователи Токийского университета вместе с коллегами из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) в Германии и Университета Палацкого в Оломоуце в Чехии недавно продемонстрировали новый способ построения фотонного квантового компьютера. Вместо использования одного фотона команда использовала генерируемый лазером световой импульс, который может состоять из нескольких фотонов.
«Наш лазерный импульс был преобразован в квантово-оптическое состояние, что дает нам способность исправлять ошибки», — заявил профессор Питер ван Лок из Университета Майнца. «Хотя система состоит только из лазерного импульса и поэтому очень мала, она может – в принципе – немедленно устранять ошибки».
Таким образом, нет необходимости генерировать отдельные фотоны в виде кубитов с помощью многочисленных световых импульсов, а затем заставлять их взаимодействовать как логические кубиты. «Нам нужен всего лишь один световой импульс, чтобы получить надежный логический кубит», — добавил ван Лок.
Другими словами, в этой системе физический кубит уже эквивалентен логическому кубиту – замечательная и уникальная концепция. Однако логический кубит, экспериментально созданный в Токийском университете, еще не имел достаточного качества, чтобы обеспечить необходимый уровень устойчивости к ошибкам. Тем не менее, исследователи ясно продемонстрировали, что можно преобразовать неуниверсально корректируемые кубиты в корректируемые, используя самые инновационные квантово-оптические методы.
Ссылка: «Логические состояния для отказоустойчивых квантовых вычислений с распространяющимся светом» Шунья Конно, Варит Асаванант, Фумия Ханамура, Хиронари Нагаёси, Косуке Фукуи, Ацуши Сакагути, Рюхо Иде, Фумихиро Чайна, Масахиро Ябуно, Сигэхито Мики, Хиротака Тераи, Кан Такасе, Мамору Эндо, Петр Марек, Радим Филип, Петер ван Лоок и Акира Фурусава, 18 января 2024 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.adk7560.