Чип, содержащий ионную ловушку, которую исследователи используют для захвата и управления кубитами атомных ионов (квантовыми битами). Предоставлено: Кай Худек / JQI.
Квантовые компьютерные эксперименты в UMD показывают, что объединение частей квантового компьютера не обязательно означает объединение их коэффициентов ошибок.
Недостаток Полоди - даже не равнодушные вычислительные элементы, лежащие в основе компьютеров. Но группа научного сотрудника JQI Кристофера Монро вместе с коллегами из Университета Дьюка достигла прогресса в обеспечении того, чтобы мы могли доверять результатам квантовых компьютеров, даже если они построены из частей, которые иногда выходят из строя. Они впервые показали в эксперименте, что совокупность квантовые вычисления кусочки могут быть лучше, чем самые плохие части, из которых оно изготовлено. В статье, опубликованной в журнале природа сегодня (4 октября 2021 г.) команда поделилась, как они сделали этот знаменательный шаг к надежным и практичным квантовым компьютерам.
В своем эксперименте исследователи объединили несколько кубитов - квантовую версию битов - так, чтобы они функционировали вместе как единое целое, называемое логическим кубитом. Они создали логический кубит на основе кода квантовой коррекции ошибок, так что, в отличие от отдельных физических кубитов, ошибки могут быть легко обнаружены и исправлены, и они сделали его отказоустойчивым - способным содержать ошибки, чтобы минимизировать их негативные последствия.
«Кубиты, состоящие из идентичных атомных ионов, сами по себе очень чисты», - говорит Монро, который также является научным сотрудником Объединенного центра квантовой информации и компьютерных наук и профессором факультета физики в Университете Мэриленда в Колледж-Парк. «Однако в какой-то момент, когда требуется много кубитов и операций, необходимо еще больше уменьшить количество ошибок, и проще добавить больше кубитов и по-другому кодировать информацию. Прелесть кодов исправления ошибок для атомарных ионов в том, что они могут быть очень эффективными и могут гибко включаться с помощью программного управления ».
Коробка с квантовым компьютером с ионной ловушкой в лаборатории Кристофера Монро. Кредит:
Марко Цетина / JQI
Это первый случай, когда логический кубит оказался более надежным, чем наиболее подверженный ошибкам этап, необходимый для его создания. Команде удалось успешно перевести логический кубит в его начальное состояние и измерить его в 99.4% случаев, несмотря на то, что они полагались на шесть квантовых операций, которые, как ожидается, по отдельности будут работать только в 98.9% случаев.
Может показаться, что это не большая разница, но это важный шаг на пути к созданию гораздо более крупных квантовых компьютеров. Если бы шесть квантовых операций выполнялись рабочими сборочной линии, каждая из которых была бы сосредоточена на одной задаче, сборочная линия могла бы создавать правильное начальное состояние только в 93.6% случаев (98.9%, умноженные на себя в шесть раз), что примерно в десять раз хуже, чем ошибка, измеренная в эксперимент. Это улучшение связано с тем, что в эксперименте несовершенные части работают вместе, чтобы свести к минимуму вероятность того, что квантовые ошибки усугубят и испортят результат, подобно тому, как бдительные рабочие ловят ошибки друг друга.
Результаты были достигнуты с использованием системы ионной ловушки Монро в UMD, которая использует до 32 отдельных заряженных атомов - ионов, охлаждаемых лазером и подвешенных над электродами на чипе. Затем они используют каждый ион как кубит, манипулируя им с помощью лазеров.
«У нас 32 лазерных луча», - говорит Монро. «А атомы подобны уткам в ряду; каждый со своим собственным полностью управляемым лазерным лучом. Я думаю об этом, как будто атомы образуют линейную струну, и мы перебираем ее, как струну гитары. Мы щипаем его с помощью лазеров, которые мы включаем и выключаем программируемым образом. И это компьютер; это наш центральный процессор ».
Успешно создав отказоустойчивый логический кубит с помощью этой системы, исследователи показали, что осторожный творческий подход может освободить квантовые вычисления от неизбежных ошибок современного состояния техники. Отказоустойчивые логические кубиты - это способ обойти ошибки в современных кубитах и могут стать основой квантовых компьютеров, которые одновременно надежны и достаточно велики для практического использования.
Исправление ошибок и отказоустойчивость
Разработка отказоустойчивых кубитов, способных исправлять ошибки, важна, потому что закон Мерфи неумолим: независимо от того, насколько хорошо вы построите машину, в конечном итоге что-то пойдет не так. В компьютере любой бит или кубит иногда не справляется со своей работой. А множество кубитов, задействованных в практическом квантовом компьютере, означает, что существует множество возможностей для появления ошибок.
К счастью, инженеры могут спроектировать компьютер так, чтобы его части работали вместе, чтобы выявлять ошибки - например, хранить резервную копию важной информации на дополнительном жестком диске или попросить второго человека прочитать ваше важное электронное письмо, чтобы выявить опечатки, прежде чем вы его отправите. И люди, и движущие силы должны потерпеть неудачу из-за ошибки, чтобы выжить. Хотя для выполнения задачи требуется больше работы, избыточность помогает обеспечить окончательное качество.
Некоторые распространенные технологии, такие как сотовые телефоны и высокоскоростные модемы, в настоящее время используют исправление ошибок, чтобы обеспечить качество передачи и избежать других неудобств. Исправление ошибок с использованием простой избыточности может снизить вероятность неперехваченной ошибки, если ваша процедура не ошибается чаще, чем правильна - например, отправка или сохранение данных в трех экземплярах и доверие большинству голосов может снизить вероятность ошибки из-за от одного из ста до менее одного из тысячи.
Таким образом, хотя совершенство никогда не будет достигнуто, исправление ошибок может сделать производительность компьютера настолько хорошей, насколько это необходимо, если вы можете позволить себе цену за использование дополнительных ресурсов. Исследователи планируют использовать квантовую коррекцию ошибок, чтобы аналогичным образом дополнить свои усилия по созданию лучших кубитов и позволить им создавать квантовые компьютеры, не преодолевая все ошибки, от которых страдают квантовые устройства.
«Что удивительно в отказоустойчивости, так это то, что это рецепт того, как взять небольшие ненадежные детали и превратить их в очень надежное устройство», - говорит Кеннет Браун, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Duke и соавтор статьи. «А отказоустойчивое квантовое исправление ошибок позволит нам создавать очень надежные квантовые компьютеры из неисправных квантовых деталей».
Но квантовая коррекция ошибок имеет уникальные проблемы - кубиты сложнее традиционных битов и могут выходить из строя по многим причинам. Вы не можете просто скопировать кубит или даже просто проверить его значение в процессе вычисления. Преимущество кубитов заключается в том, что они могут существовать в квантовой суперпозиции нескольких состояний и могут квантово-механически сцепляться друг с другом. Чтобы скопировать кубит, вы должны точно знать, какую информацию он хранит в настоящее время - в физическом выражении вы должны ее измерить. А измерение переводит его в одно четко определенное квантовое состояние, разрушая любую суперпозицию или запутанность, на которых построены квантовые вычисления.
Таким образом, для квантовой коррекции ошибок вы должны исправлять ошибки в битах, которые вам не разрешено копировать или даже смотреть слишком внимательно. Это как корректура с завязанными глазами. В середине 1990-х исследователи начали предлагать способы сделать это, используя тонкости квантовой механики, но квантовые компьютеры только достигли точки, когда они могут проверить свои теории.
Ключевая идея состоит в том, чтобы сделать логический кубит из избыточных физических кубитов таким образом, чтобы можно было проверять, согласуются ли кубиты с определенными квантово-механическими фактами, даже не зная состояния любого из них по отдельности.
Не могу улучшить атом
Есть много предлагаемых кодов квантовой коррекции ошибок на выбор, и некоторые из них более естественны для конкретного подхода к созданию квантового компьютера. Каждый способ создания квантового компьютера имеет свои типы ошибок, а также свои сильные стороны. Таким образом, создание практического квантового компьютера требует понимания и работы с конкретными ошибками и преимуществами, которые дает ваш подход.
Квантовый компьютер на основе ионной ловушки, с которым работают Монро и его коллеги, имеет то преимущество, что их отдельные кубиты идентичны и очень стабильны. Поскольку кубиты представляют собой электрически заряженные ионы, каждый кубит может связываться со всеми остальными в линии посредством электрических толчков, что дает свободу по сравнению с системами, которым требуется прочное соединение с непосредственными соседями.
«Это атомы определенного элемента и изотопа, поэтому они идеально воспроизводимы», - говорит Монро. «И когда вы сохраняете согласованность в кубитах и оставляете их в покое, она существует, по сути, вечно. Так что кубит, оставленный в покое, идеален. Чтобы использовать этот кубит, мы должны проткнуть его лазерами, мы должны что-то с ним делать, мы должны удерживать атом с электродами в вакуумной камере, все эти технические штуки имеют на себе шум, и они могут повлиять на кубит ».
Для системы Монро самый большой источник ошибок - это запутанные операции - создание квантовых связей между двумя кубитами с помощью лазерных импульсов. Операции запутывания - необходимые части работы квантового компьютера и объединения кубитов в логические кубиты. Таким образом, хотя команда не может надеяться на то, что их логические кубиты хранят информацию более стабильно, чем отдельные ионные кубиты, исправление ошибок, возникающих при запутывании кубитов, является жизненно важным улучшением.
Исследователи выбрали код Бэкона-Шора как наиболее подходящий для преимуществ и недостатков их системы. Для этого проекта им нужно было только 15 из 32 ионов, которые может поддерживать их система, и два из них не использовались в качестве кубитов, а были необходимы только для получения равномерного расстояния между другими ионами. Для кода они использовали девять кубитов для избыточного кодирования одного логического кубита и четыре дополнительных кубита для выбора мест, где произошли потенциальные ошибки. Обладая этой информацией, обнаруженные неисправные кубиты теоретически могут быть исправлены без нарушения «квантовости» кубитов путем измерения состояния любого отдельного кубита.
«Ключевой частью квантовой коррекции ошибок является избыточность, поэтому нам потребовалось девять кубитов, чтобы получить один логический кубит», - говорит аспирант JQI Лэрд Иган, который является первым автором статьи. «Но эта избыточность помогает нам искать ошибки и исправлять их, потому что ошибку на одном кубите могут защитить другие восемь».
Команда успешно использовала код Бэкона-Шора с системой ионной ловушки. Получившийся логический кубит потребовал шести операций запутывания - каждая с ожидаемой частотой ошибок от 0.7% до 1.5%. Но благодаря тщательной разработке кода эти ошибки не объединяются в еще более высокую частоту ошибок, когда операции запутывания использовались для подготовки логического кубита в его начальном состоянии.
Команда наблюдала ошибку при подготовке и измерении кубита только в 0.6% случаев, что меньше минимальной ошибки, ожидаемой для любой из отдельных операций запутывания. Затем команда смогла перевести логический кубит во второе состояние с ошибкой всего 0.3%. Команда также намеренно вводила ошибки и показывала, что они могут их обнаружить.
«Это действительно демонстрация квантовой коррекции ошибок, впервые улучшающей производительность основных компонентов», - говорит Иган. «И нет причин, по которым другие платформы не могут делать то же самое при расширении. Это действительно доказательство того, что квантовая коррекция ошибок работает ».
По мере того, как команда продолжает эту работу, они говорят, что надеются достичь аналогичного успеха в построении еще более сложных квантовых логических вентилей из своих кубитов, выполнении полных циклов исправления ошибок, в которых обнаруженные ошибки активно исправляются, и объединении нескольких логических кубитов вместе. .
«До этой статьи все были сосредоточены на создании одного логического кубита, - говорит Иган. «А теперь, когда мы создали один, мы думаем:« Отдельные логические кубиты работают, так что же вы можете сделать с двумя? »»
Ссылка: «Отказоустойчивое управление кубитом с исправленными ошибками» Лэрд Иган, Дрипто М. Деброй, Кристал Ноэль, Эндрю Райзингер, Дайвэй Чжу, Дебоприйо Бисвас, Майкл Ньюман, Муюан Ли, Кеннет Р. Браун, Марко Четина и Кристофер. Монро, 4 октября 2021 г., природа.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03928-y
