Некоторые классические компьютеры имеют встроенную в память коррекцию ошибок на основе битов; квантовые компьютеры потребуются также механизмы исправления ошибок, основанные на гораздо более чувствительных кубитах, чтобы они могли работать в будущем.
Электронное измерительное оборудование – иллюстративное фото. Изображение предоставлено: Джон Баркипл через Unsplash, бесплатная лицензия.
Исследователи из Корнелла недавно сделали шаг к отказоустойчивым квантовым вычислениям: они построили простую модель, содержащую экзотические частицы, называемые неабелевыми анионами, достаточно компактную и практичную, чтобы работать на современном квантовом оборудовании. Реализация этих частиц, которые могут существовать только в двух измерениях, — это шаг к их реализации в реальном мире.
Благодаря творческому мышлению Юрий Ленский, бывший сотрудник Института Бете/Уилкинса/Кавли в Корнелле (KIC), постдокторант по физике в Колледже искусств и наук (A&S), сотрудничал с Ын-А Ким, профессор физики (A&S), придумал простой «рецепт», который можно использовать для надежных вычислений с неабелевыми анионами, включая конкретные инструкции по экспериментальному выполнению эффекта на доступных сегодня устройствах.
Их статья «Калибровочная теория мобильных неабелевых анионов в коде стабилизатора кубита,», написанный в сотрудничестве с теоретиками из Google Quantum AI, был опубликован в Annals of Physics.
Исследователи Google Quantum AI, а также Ленски и Ким доказали теорию успешным экспериментом, как сообщается в препринте.Наблюдение статистики неабелева обмена на сверхпроводящем процессоре,на платформе обмена исследованиями arXiv.
«Это двумерное состояние интересно как с точки зрения квантовой физики конденсированных сред — оно обладает некоторыми новыми свойствами, очень специфичными для двумерной физики, — так и с точки зрения квантовой информации», — сказал Ленски.
«Это что-то действительно квантовое, но потенциально полезное для квантовых вычислений. Он защищает биты квантовой информации, сохраняя их нелокально, и наш протокол позволяет нам выполнять вычисления с этими битами».
Ким объяснил принцип, по которому оживляются неабелевы энионы, протягивая две одинаковые однофунтовые штанги. Когда она скрещивает руки, одинаковые штанги меняют положение, но как объекты, определенные классической физикой, их состояние остается прежним. Они взаимозаменяемы.
Если эти штанги представляют собой две идентичные квантовые частицы, то, что примечательно, в некоторых двумерных системах их следы в пространстве-времени могут давать измеримую запись изменения (представьте скрещенные руки). Этот процесс обмена называется косой по форме частицы. тропы.
«С точки зрения квантовой механики, когда вы перемещаете одну частицу вокруг другой, — сказал Ким, удерживая один груз неподвижно, а другой вращая вокруг него, — волновая функция, являющаяся решением уравнения Шредингера, описывающего квантовомеханическое движение, может быть умножен на фазовый коэффициент, иначе он может стать чем-то совсем другим».
Когда волновая функция приобретает глобальный знак, который можно наблюдать только с помощью интерферометрии, измерения интерференции волн, это называется абелевым энионом. По ее словам, когда волновая функция становится заметно другой, это неабелев анион.
Неабелевы анионы можно использовать для создания кубитов, определенных не на одной частице, а на паре идентичных квантовых частиц: нелокально закодированных.
«Если я поставлю кубит, общий для этих частиц, в нулевое состояние и раздвину их, то что бы ни случилось локально с одним из этих анионов, нулевое состояние останется. Кубит, установленный на ноль, защищен от порчи», — сказал Ким. «Неабелевы анионы можно использовать в платформе для защищенных кубитов».
Но хотя физики годами теоретизировали об этих экзотических частицах — Алексей Китаев предложил работать с защищенными битами квантовой памяти, сплетая неабелевы анионы примерно в 2001 году, сказал Ленский — до сих пор их никогда не наблюдали в физической системе.
Когда Google Quantum AI разработал возможности платформы квантового процессора для реализации поверхностного кода и вплетения абелевых анионов в физическую систему, Ленский сказал: «Это было [нашим] вдохновением искать способ реализовать физику неабелевых анионов как как можно скорее."
«Мы знали, что у них есть рабочие ингредиенты, но у них не было рецепта, — сказала Ким. «Мы придумали, как двигать эти неабелевы анионы, а потом сказали экспериментаторам, что делать. Это стало возможным, потому что мы с Юрием мыслили гибко, творчески и непредубежденно».
Прошлые теоретические исследования определили неабелевы свойства, но не нашли, как их перемещать, что является необходимым шагом. Ключевой инсайт Ленски и Кима заключался в том, чтобы отказаться от регулярности сетки и упорядочить кубиты практически нарисованным способом, но подкрепленным надежной математикой.
«После этого простого геометрического понимания, используя калибровочную теорию, мы смогли придумать протокол для получения этого изображения и реализации его на чипе надежным и эффективным способом», — сказал Ким. «С этой системой из 10 кубитов мы смогли закодировать несколько неабелевых анионов и, следовательно, несколько кубитов, несущих логическую информацию, и точный рецепт того, что экспериментаторам нужно делать на каждом этапе пути».
«Хотя основное внимание в теории и эксперименте уделяется простой реализации неабелевых анионов в реальном мире, это также можно рассматривать как первый небольшой шаг к реализации вычислений с помощью плетения», — сказал Ленски.
Источник: Корнельского университета
