Деякі класичні комп’ютери мають корекцію помилок, вбудовану в пам’ять на основі бітів; квантові комп'ютери також знадобляться механізми виправлення помилок, засновані на значно більш чутливих кубітах, щоб працювати в майбутньому.
Електронне вимірювальне обладнання – ілюстративне фото. Автор зображення: Джон Баркіпл через Unsplash, безкоштовна ліцензія
Дослідники Корнелла нещодавно зробили крок до відмовостійких квантових обчислень: вони побудували просту модель, що містить екзотичні частинки, які називаються неабелевими анйонами, досить компактну та практичну для роботи на сучасному квантовому обладнанні. Усвідомлення цих частинок, які можуть існувати лише у двох вимірах, є кроком до реалізації цього в реальному світі.
Завдяки креативному мисленню Юрій Ленський, колишній співробітник Інституту Бете/Вілкінса/Кавлі в Корнелі (KIC), докторант з фізики в Коледжі мистецтв і наук (A&S), співпрацюючи з Юн-А Кім, професор фізики (A&S), винайшов простий «рецепт», який можна використовувати для надійних обчислень з неабелевими аніонами, включаючи конкретні інструкції для експериментального виконання ефекту на доступних сьогодні пристроях.
Їхній папір «Графічна калібрувальна теорія мобільних неабелевих аніонів у коді стабілізатора кубіту,», написаний у співпраці з теоретиками Google Quantum AI, був опублікований в Annals of Physics.
Дослідники Google Quantum AI, а також Ленскі та Кім довели теорію успішним експериментом, про що повідомляється в препринтній публікації, “Спостереження неабелевої статистики обміну на надпровідному процесорі,» на платформі для обміну дослідженнями arXiv.
«Цей двовимірний стан цікавий як з точки зору фізики квантової конденсованої речовини – він має деякі нові властивості, дуже особливі для 2D фізики – так і з точки зору квантової інформації», – сказав Ленскі.
«Це щось справді квантове, але воно також потенційно корисне для квантових обчислень. Він захищає біти квантової інформації, зберігаючи їх нелокально, і наш протокол дозволяє нам обчислювати ці біти».
Кім пояснив принцип, який оживляє неабелеві анйони, витягнувши дві однакові штанги по одному фунту. Коли вона схрещує руки, однакові штанги змінюють положення, але як об’єкти, визначені класичною фізикою, їхній стан залишається незмінним. Вони взаємозамінні.
Якщо ці штанги представляють дві ідентичні квантові частинки, дивовижно, що в певних двовимірних системах їхні сліди в просторі-часі можуть створити вимірний запис зміни (зобразіть схрещені руки). Цей процес обміну називається косою, за формою частинки стежки.
«З точки зору квантової механіки, коли ви рухаєте одну частинку навколо іншої, — сказав Кім, нерухомо тримаючи одну гирю, а іншу рухаючи навколо неї, — хвильова функція, яка є розв’язком рівняння Шредінгера, що описує квантово-механічний рух, може помножити на фазовий коефіцієнт, або це може стати чимось зовсім іншим».
Коли хвильова функція отримує глобальний знак, який можна спостерігати лише за допомогою інтерферометрії, вимірювання інтерференції хвиль, це називається абелевим аніоном. Коли хвильова функція стає вимірювано іншою, вона є неабелевим аніоном, сказала вона.
Неабелеві аніони можна використовувати для створення кубітів, визначених не на одній частинці, а на парі ідентичних квантових частинок: нелокально закодованих.
«Якщо я переведу кубіт, спільний для цих частинок, у нульовий стан і розсуну їх, тоді що б не сталося локально з одним із цих аніонів, нульовий стан залишиться. Кубіт, встановлений на нуль, захищений від корупції», — сказав Кім. «Неабелеві анйони можна використовувати в платформі для захищених кубітів».
Але в той час як фізики роками теоретизували про ці екзотичні частинки – Олексій Китаєв запропонував оперувати захищеними бітами квантової пам’яті, сплітаючи неабелеві анйони ще приблизно в 2001 році, сказав Ленскі – вони ніколи раніше не спостерігалися у фізичній системі.
Коли Google Quantum AI розробив можливості платформи квантового процесора для реалізації поверхневого коду та обплетення абелевих анйонів у фізичній системі, Ленскі сказав: «Це було [нашим] натхненням шукати спосіб реалізувати фізику неабелевих анйонів як якомога швидше."
«Ми знали, що в них є робочі інгредієнти, але в них не було рецепту», — сказала Кім. «Ми придумали, як перемістити ці неабелеві анйони, а потім сказали експериментаторам, що робити. Це стало можливим, тому що ми з Юрієм мислили гнучко, творчо та відкрито».
Попередні теоретичні дослідження виявили неабелеві властивості, але прийшли до висновку, як їх перемістити, що є необхідним кроком. Ключова ідея Ленського та Кіма полягала в тому, щоб відмовитися від регулярності сітки та розташувати кубіти майже намальованим від руки способом, але підкріпленим надійною математикою.
«Після цього простого геометричного розуміння, використовуючи калібрувальну теорію, ми змогли розробити протокол отримання цього зображення та впровадження його на чіпі надійним і ефективним способом», — сказав Кім. «За допомогою цієї 10-кубітної системи ми змогли закодувати кілька неабелевих анйонів, а отже, кілька логічних кубітів, що несуть інформацію, і отримати точний рецепт того, що експериментатори повинні робити на кожному кроці».
«Хоча основна увага теорії та експерименту полягає в тому, щоб просто реалізувати неабелеві аніони в реальному світі, це також можна розглядати як перший маленький крок до впровадження обчислень за допомогою плетіння», — сказав Ленскі.
джерело: Корнельського університету
