Иммунизация квантовых компьютеров от ошибок

В эксперименте ETH ионы кальция заставляют колебаться таким образом, что их волновые функции выглядят как зубцы гребня. Таким образом, неопределенность измерения может быть распределена по многим таким зубам, что в принципе позволяет точно обнаруживать ошибки.

Создание квантового компьютера требует расплаты с ошибками — в нескольких смыслах. Квантовые биты, или «кубиты», которые могут принимать логические значения, равные нулю и единице одновременно, и, следовательно, быстрее выполнять вычисления, чрезвычайно чувствительны к ошибкам. Возможным решением этой проблемы является квантовое исправление ошибок, которое означает, что каждый кубит избыточно представлен в нескольких копиях, так что ошибки могут быть обнаружены и в конечном итоге исправлены без нарушения хрупкого квантового состояния самого кубита. Технически это очень требовательно. Однако несколько лет назад в альтернативном предложении предлагалось хранить информацию не в нескольких избыточных кубитах, а во многих колебательных состояниях одного квантового гармонического осциллятора. Исследовательская группа Jonathan Home, Профессор Института квантовой электроники в ETH Цюрихе, теперь понял, такой кубит, закодированный в осцилляторе. Их результаты были опубликованы в научном журнале Природа.

Периодические колебательные состояния

В домашней лаборатории, доктор философии Студентка Криста Флюманн и ее коллеги работают с электрически заряженными атомами кальция, захваченными электрическими полями. Используя правильно выбранные лазерные лучи, эти ионы охлаждаются до очень низких температур, при которых их колебания в электрических полях, внутри которых ионы качаются взад и вперед, как шарики в чаше, описываются квантовой механикой как так называемые волновые функции. «В этот момент все становится захватывающим», — говорит Флюманн, который является первым автором газеты «Природа» . «Теперь мы можем манипулировать колебательными состояниями ионов таким образом, чтобы их неопределенности в отношении положения и импульса распределялись между многими периодически расположенными состояниями».

Здесь «неопределенность» относится к известной формуле Вернера Гейзенберга, которая гласит, что в квантовой физике произведение неопределенностей измерения положения и скорости (точнее: импульса) частицы никогда не может опускаться ниже четко определенного минимума. Например, манипулирование частицей для того, чтобы очень хорошо знать ее положение — физики называют это «сдавливанием» — требует, чтобы ее импульс был менее определенным.

Уменьшенная неопределенность

Сжатие квантового состояния таким образом само по себе имеет ограниченную ценность, только если целью является проведение точных измерений. Однако есть разумный выход: если на вершине сжатия создается колебательное состояние, в котором волновая функция частицы распределена по многим периодически расположенным позициям, погрешность измерения каждой позиции и соответствующего импульса может быть меньше чем позволил бы Гейзенберг. Такое пространственное распределение волновой функции — частица может находиться в нескольких местах одновременно, и только измерение решает, где ее можно найти — напоминает знаменитую кошку Эрвина Шредингера, которая одновременно мертва и жива.

Эта сильно уменьшенная погрешность измерений также означает, что малейшее изменение волновой функции, например, из-за некоторого внешнего воздействия, может быть определено очень точно и — по крайней мере в принципе — исправлено. «Наша реализация этих периодических или гребнеобразных колебательных состояний иона является важным шагом на пути к такому обнаружению ошибки», объясняет Флюманн. «Более того, мы можем подготовить произвольные состояния иона и выполнить все возможные логические операции над ним. Все это необходимо для построения квантового компьютера. На следующем этапе мы хотим объединить это с обнаружением и исправлением ошибок».

Применение в квантовых сенсорах

Флюманн признает, что на пути нужно преодолеть несколько экспериментальных препятствий. Ион кальция сначала должен быть связан с другим ионом электрическими силами, так что колебательное состояние может быть считано, не разрушая его. Тем не менее, даже в своем нынешнем виде метод исследователей ETH представляет большой интерес для приложений, объясняет Флюман: «Благодаря своей чрезвычайной чувствительности к воздействия, эти колебательные состояния являются отличным инструментом для точного измерения крошечных электрических полей или других физических величин. «.

Источник информации: https://phys.org/news/2019-02-immunizing-quantum-errors.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...