Физики провели первую в истории высокоточную телепортацию логического кубита
Команда инженеров и физиков из компании квантовых вычислений Quantinuum провела первую в истории телепортацию логического кубита с использованием отказоустойчивых методов. В своей статье, опубликованной в журнале Science, исследователи описывают использованные ими методы настройки и телепортации, а также точность, достигнутую каждым из них.
Одним из основных препятствий в разработке действительно пригодного к использованию квантового компьютера была тенденция квантовых компьютеров к ошибкам при работе над решениями. Одним из подходов к уменьшению ошибок является введение логических кубитов, которые могут быть использованы в нескольких физических кубитах.
В рамках новой разработки исследовательская группа использовала квантовый процессор на основе захваченных ионов H2, который позволяет передавать квантово-кодированные данные с использованием запутанных физических кубитов.
В простейшем случае квантовая телепортация использует пару ранее запутанных, физически разделенных квантовых битов, или кубитов, в качестве конечных точек на своего рода шоссе для транспортировки квантовой информации третьего кубита. Третий кубит, несущий информацию, изначально объединяется с первым запутанным кубитом на стороне отправителя, изменяя его квантовое состояние. Благодаря магии квантовой запутанности изменение квантового состояния отправляющего кубита мгновенно изменяет квантовое состояние запутанного другого кубита на стороне получателя.
Затем анализ на принимающей стороне используется для восстановления исходного квантового состояния третьего кубита, несущего информацию. И третий кубит эффективно телепортируется из места отправки в место получения. (Оказывается, система обходит запрет специальной теории относительности на передачу информации со скоростью, превышающей скорость света, поскольку для воссоздания исходного измерения на принимающей стороне требуется передача двух бит классической информации.)
Причина, по которой логические кубиты могут быть менее подвержены ошибкам, чем физические кубиты, заключается в том, что они не подвержены шуму и могут быть закодированы с использованием кода с исправлением ошибок.
Проблема использования логических кубитов заключается в телепортации информации с использованием квантовой запутанности. Чтобы достичь своего результата, исследователи из Quantinuum испробовали два метода: трансверсальные ворота и решеточные операции.
Трансверсальный подход включал добавление операций к более чем одному кубиту одновременно. Это позволяло манипулировать процессом, что в свою очередь приводило к более быстрой телепортации.
Подход решеточной операции включал манипулирование границами кубитов как способ выполнения операций — он предпочтителен при попытке сделать процедуры более совместимыми между архитектурами.
Исследователи обнаружили, что любой из подходов был жизнеспособным в качестве средства транспортировки логических кубитов, но у них также были свои недостатки. Например, подход решеточных операций оказался менее точным, чем трансверсальный подход.
Схемы используют до 30 кубитов на физическом уровне и применяют квантовую коррекцию ошибок в реальном времени. Мы провели эксперименты с несколькими вариантами логических схем телепортации, используя как трансверсальные ворота, так и решеточные операции. Мы измерили точность логического процесса, которая составила 0,975 ± 0,002 для реализации трансверсальной телепортации и 0,851 ± 0,009 для реализации телепортации с помощью решеточных операций.
В любом случае исследовательская группа использовала декодирование в реальном времени (с использованием кода Стина) в качестве средства для применения исправления ошибок в четырех точках процесса телепортации, впервые продемонстрировав телепортацию логических кубитов с использованием отказоустойчивых методов.
Работа команды Quantinuum представляет собой еще один важный шаг на пути к созданию настоящего квантового компьютера.