Новости

Jan 26, 2024

Как кот Шрёдингера делает кубиты лучше

8 июня 2023 г. Эта статья

8 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Федеральная политехническая школа Лозанны

Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для кодирования и обработки данных, а это означает, что однажды они смогут решать вычислительные проблемы, которые неразрешимы для современных компьютеров. В то время как последние работают с битами, которые представляют либо 0, либо 1, квантовые компьютеры используют квантовые биты или кубиты — фундаментальные единицы квантовой информации.

«Квантовые вычисления могут изменить обширные области науки, промышленности и общества, начиная от открытия лекарств и заканчивая оптимизацией и моделированием сложных биологических систем и материалов», — говорит профессор Винченцо Савона, директор Центра квантовой науки и техники. в ЭПФЛ.

В отличие от классических битов, кубиты могут существовать в «суперпозиции» состояний 0 и 1 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам одновременно исследовать несколько решений, что может значительно ускорить выполнение определенных вычислительных задач. Однако квантовые системы хрупки и подвержены ошибкам, вызванным взаимодействием с окружающей средой.

«Разработка стратегий либо защиты кубитов от этого, либо обнаружения и исправления ошибок после их возникновения имеет решающее значение для разработки крупномасштабных отказоустойчивых квантовых компьютеров», — говорит Савона. Вместе с физиками EPFL Лукой Гравиной и Фабрицио Минганти они совершили значительный прорыв, предложив «критический кошачий код Шредингера» для повышения устойчивости к ошибкам. Исследование представляет новую схему кодирования, которая может произвести революцию в надежности квантовых компьютеров.

В 1935 году физик Эрвин Шрёдингер предложил мысленный эксперимент в качестве критики преобладающего в то время понимания квантовой механики — копенгагенской интерпретации. В эксперименте Шрёдингера кота помещают в запечатанный ящик с колбой с ядом и радиоактивным источником. Если один атом радиоактивного источника распадается, радиоактивность обнаруживается счетчиком Гейгера, который затем разбивает колбу. Яд высвобождается, убивая кошку.

Согласно копенгагенскому взгляду на квантовую механику, если атом изначально находится в суперпозиции, кошка унаследует то же состояние и окажется в суперпозиции живого и мертвого. «Это состояние представляет собой в точности понятие квантового бита, реализованное в макроскопическом масштабе», — говорит Савона.

В последние годы учёные черпали вдохновение из кота Шредингера для создания метода кодирования, получившего название «код кота Шрёдингера». Здесь состояния 0 и 1 кубита кодируются в две противоположные фазы колеблющегося электромагнитного поля в резонансной полости, аналогично мертвому или живому состояниям кошки.

«Кошачьи коды Шрёдингера в прошлом реализовывались с использованием двух различных подходов», — объясняет Савона. «Один из них использует ангармонические эффекты в резонаторе, другой полагается на тщательно спроектированные потери в резонаторе. В нашей работе мы объединили эти два режима, работая в промежуточном режиме, сочетая лучшее из обоих миров. Хотя ранее этот гибридный режим считался бесплодным, он приводит к расширенным возможностям подавления ошибок». Основная идея состоит в том, чтобы действовать вблизи критической точки фазового перехода, к которой относится «критическая» часть критического кода Cat.

Критический код Cat имеет дополнительное преимущество: он демонстрирует исключительную устойчивость к ошибкам, возникающим в результате случайных сдвигов частоты, которые часто создают серьезные проблемы для операций с участием нескольких кубитов. Это решает главную проблему и открывает путь к реализации устройств с несколькими взаимно взаимодействующими кубитами — минимальное требование для создания квантового компьютера.