НОВОСТИ: IT-технологии | Наука | Образование

Новая инновационная система преодолевает основные ограничения квантовых вычислений

2024-08-29 18:18 Техно-тренды Микроэлектроника Научные исследования
Технологический университет Чалмерса. Новая система, разработанная исследователями из Университета Чалмерса, преодолевает основные ограничения квантовых вычислений , обеспечивая более надежные и устойчивые к ошибкам вычисления.
Квантовые компьютеры сталкиваются со значительным вызовом из-за проблемы компромисса. Системы, способные выполнять сложные операции, более подвержены ошибкам и шуму, в то время как те, которые лучше защищены от шума, как правило, медленнее и менее эффективны в вычислениях.

Теперь исследовательская группа из Технологического университета Чалмерса в Швеции создала уникальную систему, которая решает эту дилемму, тем самым прокладывая путь к более длительному времени вычислений и более надежным квантовым компьютерам.

Чтобы влияние квантовых компьютеров было реализовано в обществе, квантовым исследователям сначала нужно справиться с некоторыми серьезными препятствиями. До сих пор ошибки и шумы, возникающие, например, из-за электромагнитных помех или магнитных флуктуаций, приводят к тому, что чувствительные кубиты теряют свои квантовые состояния, а затем и способность продолжать вычисления.
Количество времени, которое квантовый компьютер может работать над проблемой, таким образом, пока ограничено. Кроме того, чтобы квантовый компьютер мог решать сложные проблемы, квантовым исследователям необходимо найти способ управления квантовыми состояниями. Как и автомобиль без руля, квантовые состояния можно считать бесполезными, если нет эффективной системы управления для их манипулирования.

Однако область исследований сталкивается с проблемой компромисса. Квантовые системы, которые позволяют эффективно исправлять ошибки и увеличивать время вычислений, с другой стороны, не обладают способностью контролировать квантовые состояния — и наоборот. Но теперь исследовательская группа из Технологического университета Чалмерса сумела найти способ борьбы с этой дилеммой.
«Мы создали систему, которая позволяет выполнять чрезвычайно сложные операции в многоуровневой квантовой системе с беспрецедентной скоростью», — говорит Симона Гаспаринетти, руководитель лаборатории 202Q в Технологическом университете Чалмерса и старший автор исследования.

Отклоняется от принципа двух квантовых состояний

В то время как строительные блоки классического компьютера, биты, имеют либо значение 1, либо 0, наиболее распространенные строительные блоки квантовых компьютеров, кубиты, могут иметь значение 1 и 0 одновременно – в любой комбинации. Это явление называется суперпозицией и является одним из ключевых ингредиентов, которые позволяют квантовому компьютеру выполнять одновременные вычисления, что в результате дает огромный вычислительный потенциал.

Однако кубиты, закодированные в физических системах, чрезвычайно чувствительны к ошибкам, что побудило исследователей в этой области искать способы обнаружения и исправления этих ошибок. Система, созданная исследователями из Чалмерса, основана на так называемых квантовых вычислениях с непрерывными переменными и использует гармонические осцилляторы, тип микроскопического компонента, для линейного кодирования информации.

Генераторы, используемые в исследовании, состоят из тонких полос сверхпроводящего материала, нанесенных на изолирующую подложку для формирования микроволновых резонаторов, технология, полностью совместимая с самыми передовыми сверхпроводящими квантовыми компьютерами. Метод ранее известен в этой области и отходит от принципа двухквантовых состояний, поскольку он предлагает гораздо большее количество физических квантовых состояний, что делает квантовые компьютеры значительно более защищенными от ошибок и шума.
«Представьте себе кубит как синюю лампу, которая, с точки зрения квантовой механики, может быть включена и выключена одновременно. Напротив, непрерывная переменная квантовая система подобна бесконечной радуге, предлагая плавный градиент цветов. Это иллюстрирует ее способность получать доступ к огромному количеству состояний, предоставляя гораздо более богатые возможности, чем два состояния кубита», — говорит Аксель Эрикссон, исследователь квантовых технологий в Технологическом университете Чалмерса и ведущий автор исследования.

Борется с проблемой компромисса между сложностью эксплуатации и отказоустойчивостью

Хотя непрерывно-переменные квантовые вычисления на основе гармонических осцилляторов позволяют улучшить коррекцию ошибок, их линейная природа не позволяет выполнять сложные операции. Попытки объединить гармонические осцилляторы с системами управления, такими как сверхпроводящие квантовые системы, были предприняты, но были затруднены так называемым эффектом Керра.
Эффект Керра, в свою очередь, перемешивает множество квантовых состояний, предлагаемых осциллятором, отменяя желаемый эффект.
Поместив устройство системы управления внутрь осциллятора, исследователи из Чалмерса смогли обойти эффект Керра и справиться с проблемой компромисса. Система представляет собой решение, которое сохраняет преимущества гармонических осцилляторов, такие как ресурсоэффективный путь к отказоустойчивости, обеспечивая при этом точное управление квантовыми состояниями на высокой скорости. Система описана в статье, опубликованной в Nature Communications, и может проложить путь для более надежных квантовых компьютеров.
«Наше сообщество часто пыталось держать сверхпроводящие элементы подальше от квантовых осцилляторов, чтобы не перемешивать хрупкие квантовые состояния. В этой работе мы бросили вызов этой парадигме. Встраивая управляющее устройство в сердце осциллятора, мы смогли избежать перемешивания множества квантовых состояний, в то же время имея возможность контролировать и манипулировать ими. В результате мы продемонстрировали новый набор операций с вентилями, выполняемых на очень высокой скорости», — говорит Симоне Гаспаринетти.
Источник: Scitechdaily | Теги: квантовые вычисления, ошибки вычисления, квантовые осцилляторы