Двухрельсовые кубиты: инновация, которая делает квантовые вычисления на шаг ближе к их многообещающему будущему

Квантовые вычисления — одна из самых увлекательных и перспективных областей науки и техники. Тем не менее, эта область остается в значительной степени экспериментальной, отчасти из-за проблем, связанных с хрупкостью фундаментальных единиц информации — кубитов. Недавний прорыв, представленный компанией Quantum Circuits, обещает все изменить благодаря новой технологии под названием «двухрельсовый кубит».

Понимание того, что поставлено на карту: почему исправление ошибок имеет решающее значение?

Квантовые компьютеры сильно отличаются от обычных компьютеров, которые мы используем каждый день. В то время как традиционные компьютеры манипулируют битами, представляющими собой 0 или 1, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут находиться в нескольких состояниях одновременно благодаря принципу квантовой суперпозиции. Эта уникальная особенность позволяет квантовым компьютерам решать некоторые сложные задачи гораздо быстрее, чем традиционным компьютерам.

Однако за эту мощь приходится платить: кубиты невероятно чувствительны. Малейшее возмущение в их среде может привести к ошибкам, делающим вычисления непригодными для использования. Такие ошибки встречаются часто и происходят в основном по двум причинам: потеря фотонов, которые являются основными строительными блоками кубитов, и фазовые инверсии, когда состояние кубита меняется непредсказуемым образом.

Исправление этих ошибок необходимо для того, чтобы квантовые вычисления могли работать с реальными задачами. Однако существующие решения сложны и требуют огромных аппаратных и программных ресурсов.

Двойные рельсовые кубиты: инновационный ответ на проблему ошибок

Именно в этом контексте компания Quantum Circuits представила инновационную технологию: двухрельсовый кубит. Этот подход основан на инновационной архитектуре, которая объединяет две взаимосвязанные системы в единый кубит. Каждая система состоит из двух основных элементов: сверхпроводящей проволочной петли и резонансной полости, способной удерживать микроволновые фотоны. Две системы соединены таким образом, чтобы фотоны могли проходить из одной полости в другую. Состояние кубита определяется не фиксированным местоположением фотона, а вероятностью того, что он окажется в одной или другой полости. Это явление, соответствующее принципам квантовой механики, сохраняет неопределенность до тех пор, пока не будет проведено измерение.

Ключевое преимущество этой конструкции заключается в том, что она может легко обнаружить потерю фотонов — основной источник ошибок в современных квантовых системах, на долю которых приходится около 90 % проблем. Благодаря возможности быстрого обнаружения, становится возможным исправлять эти ошибки до того, как они вмешаются в вычисления, что делает двухрельсовые кубиты особенно перспективными для повышения надежности квантовых компьютеров.

Схема новой машины. У каждого кубита (серый квадрат) есть левая и правая резонансные камеры (синие точки), между которыми может перемещаться фотон. Каждый кубит имеет связи, которые позволяют запутывать его с ближайшими соседями.

Почему это важно?

Новая технология позволяет не только лучше справляться с ошибками, но и упростить и улучшить процессы, необходимые для обеспечения надежности вычислений. Одно из главных преимуществ двухрельсовых кубитов заключается в том, что они уменьшают количество ресурсов, необходимых для исправления ошибок. В традиционных системах для контроля и исправления ошибок на одном логическом кубите требуется множество физических кубитов. Это увеличивает рабочую нагрузку и использование аппаратных ресурсов. Двухрельсовые кубиты, напротив, делают этот контроль гораздо более эффективным. Технология позволяет быстро и легко обнаруживать потери фотонов, на которые приходится около 90 % ошибок в существующих системах. Таким образом, вместо того, чтобы выделять большое количество дополнительных кубитов для коррекции, этот метод значительно сокращает эту необходимость.

Кроме того, двухрельсовые кубиты повышают надежность вычислений. Быстро обнаруживая потери фотонов, эта технология позволяет повысить точность и стабильность квантовых систем. Это делает управление ошибками более быстрым и надежным, повышая общую производительность квантовых вычислений. Это открывает путь к более сложным операциям, обеспечивая больший контроль над результатами вычислений.

Наконец, этот прорыв может также ускорить развитие практических приложений квантовых вычислений. Благодаря более эффективному управлению ошибками можно будет проводить более сложные вычисления и работать над реальными проблемами, такими как моделирование сложных молекул, моделирование материалов или оптимизация сетей, гораздо быстрее, чем считалось ранее. Более эффективное управление ошибками позволит исследователям и инженерам быстрее продвигаться в тех областях, где обычные компьютеры неэффективны или даже не способны выполнять определенные типы вычислений.

Технические проблемы, присущие двухрельсовым кубитам: дорога все еще усеяна подводными камнями

Несмотря на многообещающие перспективы, технология двухрельсовых кубитов не лишена недостатков. Одна из главных проблем заключается в том, что она требует в два раза больше оборудования на один кубит, что затрудняет масштабирование. Чтобы квантовые компьютеры стали по-настоящему полезными, в них должны быть интегрированы тысячи или даже миллионы кубитов. Это означает, что каждая инновация, какой бы важной она ни была, должна быть совместима с крупномасштабным производством.

Кроме того, хотя эта технология эффективно справляется с потерей фотонов, она не полностью устраняет другие типы ошибок, такие как изменение фазы. Эти проблемы все еще требуют дополнительных решений, включая продвинутые алгоритмы коррекции ошибок. Тем не менее, хотя будущее квантовых вычислений все еще остается неопределенным, с такими разработками, как эта, оно выглядит более многообещающим, чем когда-либо.