Науковці вперше успішно виправили помилки в кудитах для квантових комп'ютерів

Дослідники з Єльського університету здійснили важливий прорив у галузі квантових обчислень, вперше успішно продемонструвавши квантове виправлення помилок для кудитів — квантових систем, які можуть існувати в більш ніж двох станах. Результати дослідження опубліковано в науковому журналі Nature.

У сучасних квантових комп'ютерах зазвичай використовуються кубіти — квантові біти, які можуть перебувати у двох чітко визначених станах: «вгору» (1) і «вниз» (0), а також, завдяки квантовій суперпозиції, в обох станах одночасно. Простір Гільберта одного кубіта являє собою двовимірний комплексний векторний простір.

Натомість дослідники працювали з кутритом (трирівневою квантовою системою) та кукуартом (чотирирівневою квантовою системою). Для оптимізації цих систем як тернарної та четвертинної квантової пам'яті науковці застосували алгоритм навчання з підкріпленням — різновид машинного навчання, що використовує метод спроб і помилок для пошуку найкращого способу виправлення помилок чи керування квантовими вентилями.

Використання кудитів замість кубітів викликає значний науковий інтерес, оскільки більший простір Гільберта — показник кількості квантових станів, доступних квантовому комп'ютеру — відкриває ширші можливості для квантових операцій. Кудити можуть спростити такі складні завдання, як побудова квантових вентилів, виконання алгоритмів, створення спеціальних «магічних» станів та моделювання складних квантових систем.

Протягом років науковці працювали над створенням квантових комп'ютерів на основі кудитів, використовуючи фотони, наднизькотемпературні атоми й молекули та надпровідні схеми. Проте надійність квантових обчислень значною мірою залежить від квантової корекції помилок (ККП), яка захищає вразливу квантову інформацію від шуму та недосконалостей. Досі більшість експериментальних досліджень у галузі ККП зосереджувалася виключно на кубітах.

У своєму експерименті дослідники використали босонний код Готтесмана-Кітаєва-Прескілла (GKP) для демонстрації корекції помилок у кутриті та кукуарті. Експеримент перевершив критичну точку ефективності виправлення помилок, демонструючи більш практичний та апаратно-ефективний метод ККП завдяки використанню більшого простору Гільберта.

Науковці зазначають, що збільшення втрат фотонів та швидкості розфазування станів GKP-кудитів може призвести до незначного зменшення часу життя квантової інформації, закодованої в логічних кудитах. Однак натомість це забезпечує доступ до більшої кількості логічних квантових станів в одній фізичній системі.

Це досягнення демонструє перспективи створення надійних і масштабованих квантових комп'ютерів та може привести до проривів у криптографії, матеріалознавстві та розробці ліків. Дослідження опубліковано в журналі Nature під керівництвом Бенджаміна Л. Брока та його колег.