Цифровий «демон»: метод, який підвищує точність квантових обчислень у 20 разів

Дослідники з UNSW Сіднея створили нову техніку для перезавантаження квантових комп’ютерів з високим рівнем точності. Цей процес, відомий як підготовка квантового біта до стану «0», має вирішальне значення для точних квантових обчислень. Метод заснований на принципі «демона Максвелла», гіпотетичної істоти, яка може розділяти гарячі й холодні молекули, спостерігаючи за їх швидкістю. Це інноваційне рішення є простим, але ефективним у забезпеченні надійності квантових обчислень.

«Тут ми використали набагато сучаснішого «демона» – швидкий цифровий вольтметр – щоб спостерігати за температурою електрона, випадково взятого з теплої купи електронів. Роблячи це, ми зробили його набагато холоднішим, ніж басейн, з якого він вийшов, і це відповідає високій впевненості того, що він перебуває в стані обчислень «0», — каже професор Андреа Морелло з UNSW, який керував командою.

«Квантові комп’ютери корисні лише тоді, коли вони можуть досягти кінцевого результату з дуже низькою ймовірністю помилок. І можна мати майже ідеальні квантові операції, але якщо розрахунок почався з неправильного коду, кінцевий результат також був би неправильним. Наш цифровий «демон Максвелла» дає нам у 20 разів щобільше, наскільки точно ми можемо встановити початок обчислень».

Команда професора Морелло стала піонером у використанні спінів електронів у кремнії для кодування та обробки квантової інформації та продемонструвала рекордно високу точність – тобто дуже низьку ймовірність помилок – у виконанні квантових операцій. Останньою перешкодою для ефективних квантових обчислень з електронами була точність підготовки електрона у відомому стані як початкової точки обчислення.

«Звичайний спосіб підготувати квантовий стан електрона — це перейти до надзвичайно низьких температур, близьких до абсолютного нуля, і сподіватися, що всі електрони релаксують до низькоенергетичного стану «0», — пояснює д-р Марк Джонсон, провідний експериментальний автор статті. «На жаль, навіть використовуючи найпотужніші холодильники, ми все ще мали 20-відсотковий шанс помилково підготувати електрон до стану «1». Це було неприйнятно, ми повинні були зробити краще».

Доктор Джонсон, випускник електротехніки UNSW, вирішив використати дуже швидкий цифровий вимірювальний інструмент, щоб «спостерігати» за станом електрона, і використати процесор прийняття рішень у реальному часі в інструменті, щоб вирішити, чи зберігати цей електрон і використовувати його для подальших обчислень. Результатом цього процесу було зменшення ймовірності помилки з 20 відсотків до 1 відсотка.

Новий поворот до старої ідеї

«Коли ми почали писати наші результати й думали, як найкраще їх пояснити, ми зрозуміли, що те, що ми зробили, було сучасним поворотом старої ідеї про «демона Максвелла», — каже професор Морелло.

Концепція «демона Максвелла» сягає 1867 року, коли Джеймс Клерк Максвелл уявив істоту, здатну знати швидкість кожної окремої молекули газу. Він би взяв ящик, наповнений газом, з перегородкою посередині та дверцятами, які можна швидко відкривати й закривати. Знаючи швидкість кожної молекули, демон може відкрити двері, щоб повільні (холодні) молекули збиралися з одного боку, а швидкі (гарячі) — з іншого.

«Демон був уявним експериментом, щоб обговорити можливість порушення другого закону термодинаміки, але, звичайно, такого демона ніколи не існувало», — каже професор Морелло.

«Тепер, використовуючи швидку цифрову електроніку, ми в якомусь сенсі її створили. Ми доручили йому спостерігати лише за одним електроном і переконатися, що він настільки холодний, наскільки це можливо. Тут «холодний» перекладається безпосередньо на те, що він знаходиться в стані «0» квантового комп’ютера, який ми хочемо створити та працювати».

Наслідки цього результату дуже важливі для життєздатності квантових комп’ютерів. Така машина може бути побудована зі здатністю допускати деякі помилки, але тільки якщо вони досить рідкісні. Типовий поріг допуску до помилок становить близько 1 відсотка. Це стосується всіх помилок, включаючи підготовку, роботу та зчитування кінцевого результату.

Ця електронна версія «демона Максвелла» дозволила команді UNSW зменшити помилки підготовки у двадцять разів, з 20 відсотків до 1 відсотка.

«Просто використовуючи сучасний електронний інструмент без додаткової складності на рівні квантового апаратного забезпечення, ми змогли підготувати наші електронні квантові біти з достатньою точністю, щоб забезпечити надійне подальше обчислення», — каже доктор Джонсон. «Це важливий результат для майбутнього квантових обчислень. І досить дивно, що він також є втіленням ідеї 150-річної давності!»