Квантовый процессор показал переход от хаоса к порядку при повторных проверках
Исследователи в США показали на 156-кубитном процессоре IBM Quantum Heron, что повторные проверки и сбросы могут взять хаос под контроль — этот механизм нужен для отказоустойчивых квантовых компьютеров. Исследование, опубликованное в Nature Physics, частично демонстрирует, как могла бы работать коррекция ошибок в реальном времени. Отказоустойчивость означает, что ошибки замечают и исправляют, пока компьютер ещё выполняет вычисления.
Почему важна коррекция ошибок
Сегодняшние квантовые компьютеры — небольшие ограниченные прототипы. Кубиты, основные элементы квантовых компьютеров, могут быть равны 1, 0 или чему-то между (суперпозиция), пока их не измерили. Именно отсюда берётся экспоненциальный выигрыш в мощности. Но кубиты очень хрупки и легко нарушаются теплом или движением, поэтому коррекция ошибок так важна.
«Чтобы построить отказоустойчивый квантовый компьютер, мы должны делать эти проверки и исправления не раз или два, а огромное число раз за время вычисления, — говорит физик Джедедая Пикслей из Университета Рутгерса. — Этот эксперимент — веха на этом пути».
Перемешивание против контроля
Команда использовала двухступенчатую систему, созданную, чтобы и вносить хаос, и затем его исправлять. Исследователи соединяли до 100 кубитов одновременно и задавали две чередующиеся задачи: перемешивание, которое распространяет хаос по системе, и контроль, который при необходимости сбрасывает кубиты.
«Задача была не просто измерить кубит, а делать это многократно, пока остальной процессор продолжает работать, — говорит физик IBM Майка Такита. — Этот эксперимент показывает, что нынешнее оборудование может согласованно выполнять квантовые операции, измерения и сбросы тысячи раз на большой системе».
Резкая точка перелома
Исследователи меняли баланс между перемешиванием и сбросом. Среди почти 5000 операций с кубитами и почти 5000 проверок и сбросов порядок возвращался, когда проверки и сбросы составляли больше половины всех операций. С добавлением кубитов точка перелома становилась в данных чётче — свидетельство настоящего квантового фазового перехода, как вода, превращающаяся в лёд единым образом.
«Согласие эксперимента с теорией показало, что это не случайная особенность маленькой схемы. Это коллективное поведение, возникающее во всей квантовой системе», — говорит Хайнин Пан из Университета Флориды. Джастин Уилсон из Университета штата Луизиана добавляет: «Было неочевидно, что этот переход между хаосом и контролем сохранится в квантовой физике, но наши результаты показывают, что сохраняется».
Авторы отмечают, что схему проверок и сбросов придётся масштабировать со всё более сложными правилами, чтобы она пригодилась в реальных квантовых вычислениях. Пока она служит стресс-тестом петель обратной связи, которые поддерживают порядок в квантовых системах. Больше — в разделе «Технологии».