Физики впервые показали топологическую коррекцию ошибок

Новая технология позволяет эффективно нивелировать влияние внешних помех на квантовые биты. Потому достижение является важным шагом на пути к построению мощных и масштабируемых квантовых компьютеров.

Группа учёных из Китая, Канады и Австралии реализовала «в металле» топологическую коррекцию ошибок (TEC), доказав на практике возможность создания важнейшего элемента топологического квантового компьютера (topological quantum computer).

Как в пространстве-времени выглядят топологически связанные кубиты, можно только попытаться представить. В данном случае художник изобразил их как цепочки фонариков (иллюстрация с сайта physicsworld.com).

Последнее, гипотетическое пока ещё, устройство является более устойчивой версией «просто» квантового компьютера. Топологический компьютер в роли единиц хранения информации (кубитов) использует квазичастицы энионы, чьи мировые линии в пространстве-времени переплетаются так, что создают нечто вроде кос.

Эти топологические структуры, подчиняющиеся теории кос (braid theory), формируют логические элементы, обладающие интересными свойствами.

В частности, с их помощью можно избежать влияния на квантовые вычисления внешних помех (тепла, электромагнитных полей), вызывающих декогеренцию.

Топологический кластер. Шарики – кубиты. Сплошные линии – связи, формирующие граф их взаимодействия (иллюстрация Xing-Can Yao et al./ Nature).

Тут может быть проведена такая аналогия. Тор (бублик) можно сколько угодно скручивать и изгибать, но пока вы не разорвали его, вы всегда можете распознать в нём именно тор.

Так и кластер кубитов в технологии TEC сохраняет свои топологические свойства, несмотря на внешнее воздействие, искажающее форму.

Для проверки теории исследователи намеренно вызвали декогеренцию одного из физических кубитов и на деле показали, что алгоритм TEC способен указать – какой именно фотон был затронут и устранить ошибку.

Более того, когда негативному воздействию (с определённой долей вероятности) были подвергнуты все фотоны-кубиты в кластере, алгоритм TEC позволил значительно уменьшить общую ошибку в представляемых данных.

По мнению авторов опыта, он доказывает, что TEC – один из самых практичных подходов к созданию квантовых компьютеров. Причём принцип TEC совместим с целым рядом физических реализаций кубитов (но, увы, не со всеми), в том числе с твердотельными системами, например, на основе квантовых точек и переходов Джозефсона.

Последнее важно для масштабирования данной технологии. Сами авторы, к слову, намерены продолжить своё исследование. Они попытаются создать аналогичную высоко устойчивую систему из большего числа кубитов.

(Детали эксперимента изложены в Nature.)