Фантомные коды могут помочь квантовым компьютерам избежать ошибок

Алгоритмы, называемые фантомными кодами, могут помочь квантовым компьютерам запускать сложные программы без ошибок, преодолевая большое препятствие на пути к более широкому использованию этой технологии.

Вначале некоторые физики сомневались в этом. квантовые компьютеры когда-либо были бы полезны, поскольку они ожидали, что эти устройства будут слишком склонны к трудноисправляемым ошибкам. Сегодня существует несколько типов квантовых компьютеров, которые уже используются для научное открытие и разведка. Тем не менее, в то время как достигнут прогресс, исследователям не удалось полностью решить проблему ошибок.

Многие популярные программы, исправляющие ошибки позволяют квантовым компьютерам хранить информацию без ошибок, но при этом испытывают затруднения, когда дело доходит до вычислений, говорит Шаян Маджиди в Гарвардском университете.

В поисках решения он и его коллеги сосредоточились на вычислениях, которые включают множество вычислительных шагов, что делает их длительными и неэффективными, а также сопряжено с риском возникновения дополнительных ошибок.

Квантовые компьютеры состоят из физических единиц, называемых кубитами, но в этих вычислениях участвуют логические кубиты или группы кубитов, которые обмениваются информацией для снижения частоты ошибок. Чтобы сделать вычисления защищенными от ошибок, устройствам обычно приходится манипулировать логическими кубитами – например, стреляя лазерами или микроволнами в физические кубиты – чтобы запутать двоих или более из них или изменить их квантовые свойства.

Фантомные коды позволяют запутывать множество логических кубитов без необходимости каких-либо физических действий – отсюда и название «фантом». На практике это означает, что для всего вычисления потребуется меньше таких действий, что повысит его эффективность и сократит количество возможных ошибок.

Маджиди и его коллеги использовали компьютерное моделирование для проверки фантомных кодов для решения двух задач: подготовки специального состояния кубита, которое часто используется в вычислениях, и эмуляции игрушечной модели квантового материала. Они обнаружили, что, поскольку для этого требуется меньше физических манипуляций, их подход дает в 100 раз более точные результаты, чем традиционные программы исправления ошибок.

По словам Маджиди, фантомные коды не могут помочь с каждой отдельной программой квантовых вычислений, но они превосходны в ситуациях, когда вычисления уже требуют большой запутанности. По его словам, они не создают запутанность из ничего, а скорее используют то, что уже есть. “Это не бесплатный обед. Это просто обед, который уже был там, но мы его не ели”, – говорит он.

Марк Ховард из Университета Голуэя в Ирландии говорят, что выбор кода исправления ошибок для задачи квантовых вычислений подобен выбору доспехов: пластинчатый доспех может обеспечить большую защиту, чем кольчуга, за счет того, что он тяжелее и менее гибок. Фантомные коды обеспечивают гибкость, но, как и кольчуга, у них есть и недостатки, например, требуется больше кубитов, чем при некоторых традиционных подходах, говорит Ховард. По его словам, из-за этого их можно использовать для некоторых целевых программных подпрограмм квантовых вычислений, но они вряд ли станут полным решением проблем ошибок квантовых компьютеров.

Доминик Уильямсон в Сиднейском университете в Австралии говорят, что остается открытым вопрос о том, насколько фантомные коды могут конкурировать с другими методами исправления ошибок, часть которых может зависеть от будущих разработок в области аппаратного обеспечения квантовых вычислений.

Маджиди говорит, что его команда уже тесно сотрудничает с коллегами, которые создают квантовые компьютеры из чрезвычайно холодные атомы. Он ожидает, что уроки, извлеченные из фантомных кодов, в сочетании с пониманием того, что практически может делать кубит, приведут к новой стратегии, в которой программы квантовых вычислений будут более конкретно адаптированы к конкретной задаче и реализации.