Квантовые исследователи создали кошку, исправляющую ошибки

Физики Йельского университета разработали исправляющую ошибки кошку — новое устройство, которое сочетает в себе концепцию суперпозиции шредингеровской кошки (физическая система, существующая в двух состояниях одновременно) с возможностью исправления некоторых из самых сложных ошибок в квантовых вычислениях.

Это последний прорыв Йельского университета в стремлении овладеть физикой, необходимой для полезного квантового компьютера, и управлять ею: исправление потока ошибок, возникающих среди хрупких битов квантовой информации, называемых кубитами, при выполнении задачи.

Новое исследование, сообщающее об открытии, опубликовано в журнале Nature . Старшим автором является Мишель Деворе, профессор прикладной физики и физики Йельского университета имени Ф. В. Бейнеке. Соавторами исследования являются Александр Гримм, бывший научный сотрудник лаборатории Деворе, который сейчас работает штатным научным сотрудником в Институте Пола Шеррера в Швейцарии, и Николас Фраттини, аспирант в лаборатории Деворе.

Квантовые компьютеры могут трансформировать множество отраслей, от фармацевтики до финансовых услуг, позволяя проводить вычисления на несколько порядков быстрее, чем современные суперкомпьютеры.

Йельский университет, возглавляемый Деворетом, Робертом Шёлкопфом и Стивеном Гирвином, продолжает два десятилетия революционных квантовых исследований. Подход Йеля к созданию квантового компьютера называется «схемой QED» и использует частицы микроволнового света (фотоны) в сверхпроводящем микроволновом резонаторе.

В традиционном компьютере информация кодируется как 0 или 1. Единственные ошибки, которые возникают во время вычислений, — это «перевороты битов», когда бит информации случайно переключается с 0 на 1 или наоборот. Способ исправить это — создать избыточность: использовать три «физических» бита информации для обеспечения одного «эффективного» — или точного — бита.

Напротив, квантовые информационные биты — кубиты — подвержены как переворотам битов, так и «переворотам фазы», ​​при которых кубит случайным образом переключается между квантовыми суперпозициями (когда два противоположных состояния существуют одновременно).

До сих пор квантовые исследователи пытались исправить ошибки, добавляя большую избыточность, требующую большого количества физических кубитов для каждого эффективного кубита.

Введите кошачий кубит, названный в честь кота Шредингера, знаменитый парадокс, используемый для иллюстрации концепции суперпозиции.

Идея состоит в том, что кошку помещают в герметичный ящик с радиоактивным источником и ядом, который сработает, если атом радиоактивного вещества распадется. Теория суперпозиции квантовой физики предполагает, что до тех пор, пока кто-то не откроет ящик, кот остается живым и мертвым, это суперпозиция состояний. Открытие коробки для наблюдения за кошкой приводит к тому, что она резко меняет свое квантовое состояние случайным образом, заставляя ее быть либо живой, либо мертвой.

«Наша работа основана на новой идее. Почему бы не использовать умный способ кодирования информации в одной физической системе, чтобы напрямую подавлять один тип ошибок?» — спросил Деворет.

В отличие от множества физических кубитов, необходимых для поддержания одного эффективного кубита, один кубит-кот может сам по себе предотвращать смещение фазы. Кошачий кубит кодирует эффективный кубит в суперпозицию двух состояний в одной электронной схеме — в данном случае сверхпроводящий микроволновый резонатор, колебания которого соответствуют двум состояниям кошачьего кубита.

«Мы достигаем всего этого, подавая сигналы микроволнового диапазона на устройство, которое не намного сложнее, чем традиционный сверхпроводящий кубит», — сказал Гримм.

Исследователи заявили, что они могут изменить свой кошачий кубит из любого состояния суперпозиции в любое другое состояние суперпозиции по команде. Кроме того, исследователи разработали новый способ считывания — или идентификации — информации, закодированной в кубите.

«Это делает систему, которую мы разработали, универсальным новым элементом, который, мы надеемся, найдет свое применение во многих аспектах квантовых вычислений со сверхпроводящими цепями», — сказал Деворет.

Соавторами исследования являются Гирвин, Шрути Пури, Шантану Мундхада и Стивен Тузард, все из Йельского университета; Мазьяр Миррахими из Inria Paris; и Шьям Шанкар из Техасского университета в Остине.

Исследование финансировалось Министерством обороны США, Исследовательским управлением армии США и Национальным научным фондом.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Йельским университетом . Оригинал написан Джимом Шелтоном. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. А. Гримм, Н. Е. Фраттини, С. Пури, С. О. Мундхада, С. Тузард, М. Миррахими, С. М. Гирвин, С. Шанкар, М. Х. Деворет. Стабилизация и работа кубита Керра-Кота . Природа , 2020; 584 (7820): 205 DOI: 10.1038 / s41586-020-2587-z