Физики разработали метод коррекции ошибок, способный существенно повысить производительность квантовых компьютеров. Статья с описанием экспериментов опубликована в Nature 20 июля. Подробности — к старту флагманского курса по Data Science.

Когда древние инки архивировали записи о налогах и переписи, они использовали кипу — устройство из ряда верёвок, которое кодировало данные узлами. А теперь перенесёмся на несколько сотен лет вперёд: сегодня физики находятся на пути к разработке современного, гораздо более сложного эквивалента.

Современная «кипу» — это новая фаза материи, созданная с помощью квантового компьютера: её верёвки — атомы, а узлы — последовательность импульсов лазера. Эти последовательности и открывают второе измерение времени.

Понять это не так просто, как кажется на первый взгляд. Новая фаза вещества — представитель семейства топологических фаз, обнаруженных в 1980-х. Материалы в топологической фазе демонстрируют порядок не расположением составляющих, как, например, регулярное расстояние между атомами в кристалле, а через динамические движения и взаимодействия.

Создать новую топологическую фазу — то есть новую «фазу материи» не сложнее, чем применить новые комбинации электромагнитных полей и лазерных импульсов, чтобы упорядочить материю, организовать «симметрию» движений и состояний атомов вещества. Такие симметрии могут существовать не в пространстве, а во времени, например в индуцированных повторяющихся движениях.

Просто так увидеть временные симметрии может быть трудно, но обнаружить их можно математически: нужно представить материал как низкоразмерную проекцию гипотетического многомерного пространства: так двумерная голограмма — низкоразмерная проекция трёхмерного объекта. Что касается новой фазы, которая проявляется в сплетении ионов, то её симметрию можно различить, если рассматривать материю в многомерной реальности, где у времени два измерения.

«Очень интересно наблюдать, как эта необычная фаза материи воплощается в реальном эксперименте. Особенно потому, что математическое описание основано на теоретическом "дополнительном" измерении времени», — рассказывает участник команды Филипп Думитреску. Во время экспериментов находился в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке.

Открытие портала в дополнительное временное измерение — пусть даже теоретическое — звучит захватывающе, но в первоначальный план физиков оно не входило. «Крайне интересно было увидеть, какие новые типы фаз возможно создать», — рассказывает квантовый физик из Университета Британской Колумбии и соавтор исследования Эндрю Поттер. Только вообразив новое состояние, команда осознала, что оно может помочь защитить данные в квантовых компьютерах от ошибок.

Стандартные классические компьютеры кодируют информацию в последовательность нулей и единиц, тогда как мощность квантовых компьютеров проистекает из способности квантовых битов (кубитов) хранить значения 0 и 1, либо оба значения одновременно. Вспомните кота Шрёдингера, который может быть живым и мёртвым одновременно.

Большинство квантовых компьютеров кодируют информацию о состоянии каждого кубита, например, во внутреннем квантовом свойстве частицы, которое называется спин. Спин может указывать вверх или вниз, что соответствует 0 или 1, или два направления одновременно. Любой шум — скажем, рассеянное магнитное поле — может нанести ущерб тщательно подготовленной квантовой системе, перевернуть спины и даже разрушить квантовые эффекты полностью.

Эту уязвимость Поттер сравнивает с передачей сообщения кусочками верёвки, разбросанными на полу в форме букв. «Письмо читалось, пока не подул лёгкий ветерок и не унёс его». Чтобы создать более устойчивый к ошибкам квантовый материал, команда Поттера обратилась к топологическим фазам. В квантовом компьютере, который работает с топологией, информация не кодируется в состоянии каждого кубита, локально, а переплетается с материалом на глобальном уровне. «Это как узел, который трудно развязать, кипу», — сравнивает Поттер.

«Топологические фазы интригуют: они предлагают способ защиты от ошибок, встроенный в материал», — добавляет соавтор исследования Джастин Бонет, квантовый физик из компании Quantinuum в Брумфилде, где проводились эксперименты. «Подход отличается от традиционных протоколов исправления ошибок, когда, чтобы проверить систему, постоянно измеряется небольшая её часть, а потом исправляются ошибки».

Квантовый процессор Quantinuum H1 состоит из нити в 10 ионов иттербия внутри вакуумной камеры. Положение и состояние этих ионов жёстко контролируют лазеры. Эта «ионная ловушка» — стандартный метод управления ионами.

В первой попытке создать устойчивую к ошибкам топологическую фазу Поттер и Думитреску с коллегами стремились организовать в процессоре простую временную симметрию, сообщая выстроенным в линию ионам периодические толчки с регулярно повторяющимися импульсами лазера. «Наши предварительные расчёты показали, что это защитит [квантовый процессор] от ошибок», — рассказывает Поттер. Это похоже на то, как ровный бой в барабан поддерживает ритм для танцоров.

Чтобы убедиться в своей правоте, исследователи запускали программу на процессоре Quantinuum и проверяли соответствие теоретических выкладок итоговому состоянию всех кубитов. «Это вообще не сработало, — смеётся Поттер. — Появлялись совершенно непонятные вещи». Каждый раз накапливаемые ошибки снижали производительность системы на время до 1,5 секунды.

Вскоре команда поняла: просто добавить одну временную симметрию недостаточно, ведь вместо того, чтобы предотвращать воздействие внешних ударов и шума на кубиты, периодические лазерные импульсы усиливали крошечные сбои, объясняет Поттер.

Поэтому он и его коллеги снова сели за работу с чертёжной доской, пока, наконец, не пришли к пониманию, что смогут создать более устойчивую топологическую фазу, если соберут не случайную, а некоторым образом упорядоченную последовательность импульсов без регулярных повторов. Учёные подсчитали, что такой «квазипериодический» паттерн может вызвать множественную симметрию иттербиевых кубитов процессора без нежелательных усилений. Они выбрали хорошо изученную (в математическом смысле) последовательность Фибоначчи, где следующее число — сумма двух предыдущих. Таким образом, там, где регулярная периодическая последовательность импульсов может чередоваться между двумя частотами от двух лазеров как A, B, A, B..., пульсирующая последовательность Фибоначчи будет работать так: A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA....

Хотя эти паттерны на самом деле возникли из довольно сложного расположения двух наборов разных лазерных импульсов, по словам Поттера, систему можно рассматривать как «два лазера, пульсирующих с двумя разными частотами». Такая пульсация гарантирует, что импульсы не пересекутся во времени.

Для расчётов теоретики команды представили эти два независимых набора ударов на двух разных временных линиях; каждая коллекция эффективно пульсирует в собственном временном измерении. Эти два временных измерения можно проследить на поверхности тора. Квазипериодическая природа двойных временных линий проясняется из того, каким образом каждая из них раз за разом огибает тор «под странным углом, который сам по себе никогда не повторяется», — рассказывает Поттер.

Команда внедрила новую программу с квазипериодической последовательностью — и это действительно защищало Quantinuum на протяжении всего теста, то есть 5,5 секунды. «В секундах это не так уж много, но на самом деле отличие разительное», — утверждает Бонет. — Это явный признак того, что демонстрация работает».

«Это довольно круто», — соглашается Четан Наяк — эксперт по квантовым вычислениям из Microsoft Station Q Калифорнийского Университета в Санта-Барбаре, который не участвовал в исследовании. Он отмечает, что в целом двумерные пространственные системы защищают от ошибок лучше, чем одномерные, но построить их дороже и труднее, а созданное второе измерение времени обходит это ограничение. «Их одномерная система в некотором роде действует как многомерная, но без накладных расходов на создание двумерной системы», — рассказывает он. «Получается и на ёлку влезть, и рыбку съесть».

Не связанный с командой квантовый физик из Ланкастерского Университета в Англии Самули Аутти говорит о тестах как об «элегантных» и «захватывающих». Особенно его впечатляет связь с «динамикой», то есть лазерными импульсами и манипуляциями, которые стабилизируют систему и перемещают кубиты. Большинство попыток сделать квантовые компьютеры лучше через топологию основывались на не столь активных методах управления, это лишало их гибкости. Таким образом, по словам Аутти, «динамика с топологической защитой — вот главная технологическая цель».

Название новой топологической фазе материи, хотя и несколько многословно, признаёт потенциал трансформации: защищённая динамической симметрией эмерджентная топологическая фаза — EDSPT. «Неплохо было бы придумать и более броское название», — признаётся Поттер.

Кстати, первый неудачный тест с периодической последовательностью импульсов также показал, что квантовый компьютер ошибается чаще, чем предполагалось. «Это была хорошая разминка и проверка, насколько хорош процессор Quantinuum», — считает Наяк. А пока квантовые технологии продолжают развиваться, мы поможем прокачать ваши навыки или с самого начала освоить профессию, актуальную в любое время:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

Выбрать другую востребованную профессию.