Перспективы создания "квантового жесткого диска"

В последние годы ученые всего мира активно работают над созданием полноценных квантовых компьютеров, которые обещают революционизировать вычислительную технику. Однако одной из ключевых проблем, стоящих на этом пути, всегда была нестабильность кубитов – основных элементов квантовой информации. Кубит, подобно биту в классическом компьютере, может находиться не только в состояниях 0 или 1, но также в суперпозиции этих состояний, что открывает огромные возможности для параллельных вычислений. Тем не менее, эта же особенность делает кубиты крайне уязвимыми перед внешними факторами, такими как температура, электромагнитное излучение и даже мельчайшие вибрации.

Проблема декогеренции

Декогеренция – это процесс потери квантовым состоянием своей когерентности (согласованности) под воздействием внешних факторов. В результате этого процесса кубит теряет свою способность сохранять информацию в виде суперпозиций, что приводит к ошибкам при выполнении сложных квантовых алгоритмов. Именно поэтому проблема декогеренции считалась главным препятствием на пути к созданию мощных и надежных квантовых систем.

Инновационная система коррекции ошибок

Согласно статье, опубликованной в журнале Nature Communications, инженеры смогли создать новую стратегию защиты кубитов от этих разрушительных помех, что приближает нас к созданию надежной системы квантовой памяти – своеобразного "квантового жесткого диска".

Прорыв в этой области достигнут благодаря разработке новой архитектуры квантовой коррекции ошибок, использующей трехмерную решетку кубитов. В отличие от одномерных подходов, эта архитектура позволяет исправлять ошибки на двумерных поверхностях внутри трехмерной структуры. Представьте себе кубиты, расположенные в пространстве не в виде простой цепочки, а в виде сложной трёхмерной решетки, подобной кристаллической структуре. Ошибки, возникающие в одном кубите, теперь можно компенсировать информацией, полученной от соседних кубитов, расположенных не только вдоль одной линии, но и по всей двумерной плоскости. 

Этот подход значительно увеличивает устойчивость к ошибкам. Если в одномерной системе сбой одного кубита приводит к распространению ошибки вдоль всей линии, то в трёхмерной системе ошибка локализуется на двумерной поверхности, предотвращая её катастрофическое распространение по всей системе. Это позволяет обрабатывать значительно больше ошибок по мере увеличения размера квантового компьютера. Эффективность масштабирования существенно возрастает: количество физических кубитов, необходимых для коррекции ошибок, растет гораздо медленнее, чем количество логических кубитов, обрабатывающих информацию. Такой подход решает проблему "гонки вооружений", когда приходится выделять всё больше и больше физических кубитов для борьбы с растущим числом ошибок. 

Важным аспектом данной архитектуры является способ кодирования квантовой информации. Традиционные методы часто используют избыточность, кодируя один бит информации в нескольких физических кубитах. Однако трехмерная архитектура, основанная на топологическом коде, позволяет достичь высокой устойчивости к ошибкам, используя более эффективные стратегии кодирования. Это связано со свойствами топологических кодов, которые обладают повышенной устойчивостью к локальным возмущениям. Более того, разработка предполагает использование определённых типов квантовых взаимодействий между кубитами, минимизирующих вероятность возникновения ошибок. 

Но работа над совершенствованием не заканчивается. Перед учёными стоит задача оптимизации самой трехмерной структуры, поиска оптимального типа топологического кода и исследования различных способов реализации физических кубитов, наиболее подходящих для данной архитектуры. Например, изучаются различные материалы и методы построения кубитов, начиная от сверхпроводниковых кубитов и заканчивая кубитами на основе нейтральных атомов или ионных ловушек. Выбор конкретной технологии зависит от многих факторов, в том числе от требований к скорости вычислений, уровню шума и сложности реализации.