Квантовые ворота для телепортации

Исследователи Йельского университета продемонстрировали один из ключевых шагов в построении архитектуры модульных квантовых компьютеров: «телепортацию» через квантовые ворота между двумя кубитами по требованию.

Ключевым принципом этой новой работы является квантовая телепортация, уникальная особенность квантовой механики, которая ранее использовалась для передачи неизвестных квантовых состояний между двумя сторонами без физической отправки самого состояния. Используя теоретический протокол, разработанный в 1990-х годах, исследователи Йельского университета экспериментально продемонстрировали квантовую телепортацию или «ворота», не полагаясь на какое-либо прямое взаимодействие.

Такие ворота необходимы для квантовых вычислений, которые основаны на сетях отдельных квантовых систем — архитектуре, которая, по мнению многих исследователей, может компенсировать ошибки, присущие квантовым вычислительным процессорам.

Исследовательская группа во главе с Робертом Шелкопфом и бывшим аспирантом Кевином Чоу изучает модульный подход к квантовым вычислениям. Модульность, которая находится во всем, от организации биологической клетки до двигателей в новейшей ракете SpaceX, оказалась мощной стратегией построения больших сложных систем, говорят исследователи. Квантовая модульная архитектура состоит из набора модулей, которые функционируют как небольшие квантовые процессоры, подключенные к более крупной сети.

Модули в этой архитектуре имеют естественную изоляцию друг от друга, что уменьшает нежелательные взаимодействия в большой системе. По словам исследователей, эта изоляция также делает выполнение операций между модулями отдельной непростой задачей. Телепортационные ворота — это способ реализации межмодульных операций.

«Наша работа — это первый раз, когда этот протокол был продемонстрирован там, где классическая связь происходит в режиме реального времени, что позволяет нам реализовать «детерминированную» операцию, которая выполняет желаемую операцию каждый раз», — сказал Чоу.

Квантовые компьютеры имеют потенциал для достижения скорости вычислений, которые на порядки быстрее, чем могут выдать современные суперкомпьютеры. Исследователи Йельского университета находятся на переднем крае усилий по разработке первых полностью рабочих квантовых компьютеров и проделали новаторскую работу по квантовым вычислениям со сверхпроводящими схемами.

Квантовые вычисления выполняются через биты данных, называемые кубитами, которые подвержены ошибкам. В экспериментальных квантовых системах «логические» кубиты контролируются «вспомогательными» кубитами, чтобы немедленно обнаружить и исправить ошибки. «Наш эксперимент также является первой демонстрацией двух-кубитовой операции между логическими кубитами», — сказал Шелкопф. «Это веха в квантовой обработке информации с использованием исправимых ошибок кубитов».

Kevin S. Chou et al. Deterministic teleportation of a quantum gate between two logical qubits, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0470-y