Нова публікація в журналі * Nature Physics * демонструє можливість досягнення теоретично оптимальної масштабованості процесу перегонки магічних станів-ключового етапу в побудові великих відмовостійких квантових комп’ютерів. Це проривна розробка вирішує давню проблему в області квантового обчислення і відкриває шлях для більш ефективного виконання складних квантових алгоритмів.
Квантові комп’ютери обіцяють революціонізувати такі галузі, як медицина, матеріалознавство та штучний інтелект, використовуючи унікальні властивості квантової механіки. Однак ці тендітні системи надзвичайно чутливі до помилок, викликаних шумом навколишнього середовища. Цей ” шум ” може швидко зруйнувати настільки необхідні для обчислень вразливі квантові стани, перешкоджаючи прогресу в напрямку практичного застосування.
Щоб протистояти цій крихкості, дослідники використовують коди корекції помилок-складні математичні інструменти, призначені для захисту квантової інформації. Але навіть за допомогою корекції помилок існує ключове обмеження: ці коди в основному підтримують простіші квантові операції, які називаються каліброваними воротами. Для виконання більш складних обчислень, які пропонують справжні переваги перед класичними комп’ютерами, нам потрібні додаткові “некалібровані” ворота.
Ось де приходить на допомогу перегонка магічних станів. Введена в 2005 році браві і Китаєвим, ця техніка дозволяє створювати некалібровані ворота за допомогою спеціально підготовлених квантових станів, званих магічними станами. Ці стани мають унікальні властивості, недоступні стандартним кодам корекції помилок, що забезпечує доступ до багатшого набору квантових операцій, необхідних для досягнення справжньої квантової переваги.
** Магічний інгредієнт: за межами стабілізаторних станів**
Уявіть усі можливі квантові стани як величезний ландшафт. Стабілізаторні стани — царство, в якому класичні комп’ютери можуть йти в ногу з ним-займають відносно невелику ділянку цього ландшафту. За цією зоною лежать магічні стани, що виявляють “квантову контекстуальність” — додатковий ресурс, недоступний класичним системам. Ці стани є ключовими для розкриття повного потенціалу квантових обчислень.
Уявіть магічні стани як рідкісні інгредієнти в рецепті: вони дозволяють створювати складні та смачні страви (складні квантові обчислення), які неможливо приготувати лише з більш простими інгредієнтами. Однак початкові версії “магічних станів” часто галасливі і схильні до помилок. Саме тут починається перегонка — вона очищає ці стани, зменшуючи помилки і підвищуючи їх корисність.
** Головоломка ефективності: масштабування витрат**
Ключовим питанням для практичного квантового обчислення є те, наскільки ефективно може здійснюватися перегонка магічних станів. Ефективність вимірюється * * витратами**: відношення шумливих вхідних станів, необхідних для виробництва одного високоякісного вихідного стану. Маленькі витрати означають більш ефективне використання цінних квантових ресурсів.
Протягом багатьох років ці витрати зростали, оскільки ми прагнули до все нижчих помилок вихідних станів. Це масштабування було кількісно визначено параметром γ (гамма), де менше γ вказує на кращу ефективність. Попередні дослідження досягли значних успіхів – до γ ≈ 0,678 і пізніше наближення до γ = 0 — але практична реалізація залишалася недосяжною.
** Прорив бар’єру: отримання постійних витрат**
У своєму проривному дослідженні Віллс та його колеги досягли постійних витрат, довівши, що γ може бути точно нульовим для систем кубітів (будівельних блоків квантових комп’ютерів). Вони здійснили цей подвиг двома шляхами:
-
-
- Використання кодів алгебраїчної геометрії: * * замість раніше використовуваних кодів рід-Мюллера або рід-Соломона вони звернулися до кодів алгебраїчної геометрії. Ці коди відомі своєю винятковою здатністю виправляти помилки при роботі з системами фіксованого розміру квантових кубітів-що принципово важливо для практичних реалізацій.
-
-
-
- Подолання розриву між кудітами та кубітами:** хоча їх початкове теоретичне відкриття працювало з кудітами (квантовими системами з 1024 рівнями), команда Віллса розумно знайшла спосіб перевести цей протокол постійного навантаження в стандартні системи кубітів, що використовуються в реальних експериментах. Це передбачало відображення багатовимірних кудитів на доступні набори кубітів, мінімізуючи втрату витрат під час перетворення.
-
** Погляд вперед: від теорії до дійсності**
Це теоретичне досягнення встановлює фундаментальну межу для ефективності перегонки магічних станів, що доводить, що γ = 0 є досяжним. Однак переведення цього в практичні реалізації ставить перед собою значні виклики. Хоча теоретично оптимально, протокол може вимагати більше фізичних кубітів, ніж сучасні квантові комп’ютери можуть обробляти.
Однак встановлення цих фундаментальних теоретичних меж є критично важливим для керівництва майбутніми дослідженнями та розробками в галузі відмовостійких квантових обчислень. Робота команди відкриває нові шляхи досліджень:
-
-
- Оптимізація постійних коефіцієнтів: * * удосконалення деталей для мінімізації будь-яких залишилися витрат, що виникають при практичній реалізації.
-
-
-
- Дослідження квантових кодів LDPC: * * дослідження варіантів кодів з низькою щільністю перевірочних матриць (LDPC), відомих своєю надійною корекцією помилок в класичному обчисленні, для потенційного застосування в квантовій перегонці магічних станів.
-
-
-
- Виявлення оптимальних перетворень кудіт-кубіт: * * Пошук ще більш ефективних способів відображення кудітов на системи кубітів, подальше скорочення витрат і подолання розриву між теорією і практикою.
-
Шлях до масштабованих і відмовостійких квантових комп’ютерів усіяний як теоретичними проривами, так і практичними інженерними проблемами. Нещодавнє підтвердження теоретично оптимальної перегонки магічних станів є важливим етапом у цьому безперервному прагненні. Це підкреслює зроблений прогрес в розумінні і управлінні квантовими системами, наближаючи нас до використання їх повного потенціалу для вирішення реальних завдань.
