Логика без лишних кубитов: австралийские физики реализовали новый подход к квантовым вычислениям на одном ионе

Учёные из Университета Сиднея впервые выполнили полный набор универсальных логических операций для квантовых кодов Готтесмана–Китоева–Прескилла (GKP) — только средствами одного иона в ловушке Паули. Операции проведены без привлечения многочисленных «вспомогательных» кубитов, а итогом стала прямая генерация одного из базовых состояний — состояния Белла. Такой подход делает квантовый компьютер потенциально проще и компактнее и может стать платформой для практических масштабируемых квантовых вычислений.

В основе работы лежит использование колебаний одного иона итттербия, который находился в ионной ловушке при комнатной температуре. В классических схемах квантовые вычисления обычно требуют больших множеств отдельных атомов или ионов, каждый из которых кодирует один кубит. Здесь же оба кубита были записаны не в отдельных частицах, а в двух колебательных режимах одного иона: по направлениям x и y. Частота колебаний по этим направлениям составляла примерно 1,3 и 1,5 мегагерца соответственно (это около полутора миллионов колебаний в секунду). Такой метод позволяет «экономить» физические ресурсы: один квантовый осциллятор играет роль полного логического кубита. Для классических кодов коррекции ошибок на каждый один логический кубит требуется целая группа физических кубитов.

Управление вычислениями осуществлялось с помощью лазерных импульсов с длиной волны 355 нанометров. Модулируя их фазы, учёные могли точно воздействовать на квантовое состояние. Разработанная схема позволила проводить логические операции без искажения информации и потери устойчивости состояний (такой риск возникает, если операции не оптимизированы для реальных, конечной энергии, GKP-состояний).

В ходе эксперимента была реализована вся «логическая азбука» однокубитных операций, необходимых для универсальных вычислений: базовые повороты и дополнительная операция T, которая вместе с двукубитной связью обеспечивает теоретическую полноту операций. Подготовка нужного состояния занимала около 700–800 микросекунд, а сами логические операции — примерно 200–340 микросекунд. При этом точность выполнения каждой из этих операций, оценённая с помощью квантовой томографии (это особый способ проверки того, насколько результат соответствует ожидаемому), составила от 94% до 96%.

Ключевым элементом работы стала реализация двухкубитной логики: операции CZ (управляемый поворот). Она была выполнена тремя последовательными этапами, в сумме за 993 микросекунды. Средняя точность этой операции составила 73%. Главной причиной отклонения от идеала остались случайные изменения колебательных частот, а также упрощённый режим измерений, выбранный ради экономии времени.

Ещё один важный результат — создание состояния Белла из вакуума за один шаг с помощью улучшенного протокола. На это ушло 1,86 миллисекунды. Логическая точность перепутанного состояния составила 83%, а независимое численное моделирование показало согласующееся значение около 81%. Такой результат говорит о высокой эффективности прямого синтеза «ресурсных» квантовых состояний, которые раньше приходилось получать более сложными способами.

Все описанные манипуляции поддерживались специальным «якорным» кубитом — спиновым состоянием иона, отличающимся очень высокой стабильностью. Например, время когерентности, то есть сохранения квантовых свойств этого кубита, доходило до 8,7 секунды. Ко времени, когда состояния колебаний остаются стабильными, — до 50 миллисекунд. Также отмечено очень низкое нагревание — 0,2 кванта в секунду, что существенно для точных измерений.

Важно, что все логические импульсы проектировались так, чтобы минимально искажать форму реальных GKP-состояний. Идеальные GKP-состояния по теории требуют бесконечной энергии и недостижимы, а отклонения приводят к ошибкам, которые обычно нужно дополнительно исправлять. Здесь оптимизация позволила уменьшить этот «лишний» источник ошибок.

Учёные подробно разобрали накопившиеся ошибки и выделили главные источники: основным препятствием остаётся стабильность ионной ловушки и тепловой шум в начале эксперимента. В перспективе работу можно улучшить аппаратно — увеличить интенсивность взаимодействия лазера с ионом, стабилизировать ловушку и дольше сохранять когерентность движений. По оценкам авторов, такие доработки снизят вероятность ошибок на порядок и приблизят работу схемы к теоретическому пределу.

Значение этой работы — в практической достижимости универсального набора ворот для GKP-кубитов на одной из самых перспективных платформ.

Демонстрированная методика совместима с различными современными и будущими архитектурами квантовых компьютеров. Это достигается благодаря гибкости и экономии ресурсов: для каждого логического кубита требуется всего один осциллятор, а не десятки отдельных частиц, как в стандартных подходах.

Результаты становятся основой для развития масштабируемых «бозонных» квантовых вычислителей и гибридных схем, которые смогут соединять преимущества дискретных и непрерывных переменных. В перспективе команда планирует увеличить число кубитов и дополнительно оптимизировать протоколы коррекции ошибок, чтобы приблизить практическое внедрение крупных квантовых устройств. Такие технологии создают фундамент для более устойчивых и простых в реализации квантовых процессоров нового поколения, способных решить задачи, недоступные классическим вычислительным системам.

 Источник: Nature Physics