Всичко, което знаехме за кубитите, е остаряло. Да се запознаем с кутритите, куквартите и квантовата стабилност

Сега квантът може да помни, да мисли и да не прави грешки.

Специалисти от Йейлския университет за първи път в историята на науката успяха да демонстрират механизъм за корекция на грешките в многостепенните квантови системи. Резултатите от изследването са публикувани от научното списание Nature.

Традиционните квантови машини обработват данните с помощта на кубити – елементарни клетки, способни да приемат две базови значения: нула и единица. Благодарение на уникалното свойство на квантовата механика – суперпозицията – един кубит може да се намира в двете състояния едновременно. Математиците описват тази структура чрез двумерно комплексно векторно пространство, наречено в чест на Дейвид Хилбърт.

Физиците от Йейл отидоха още по-далеч и разработиха принципно нови елементи – кудити, съществуващи в няколко състояния едновременно. Експерименталната уредба включва кудит, способен да приема три различни стойности, и кукварт, работещ с четири нива. Защитата на тези Тези сложни конфигурации бе осигурена чрез специален метод – кода на Готесман-Китаев-Прескил, разработен специално за бозонните частици.

Стойността на хилбертовото пространство определя мощността на квантовия компютър. Разширяването на този параметър дава възможност на машината да извършва по-сложни операции. Именно потенциалът на кудититите привлича специално внимание в този случай: многостепенните системи улесняват създаването на изчислителни схеми, ускоряват работата на алгоритмите, формират „магическите“ състояния, необходими за изчисленията, и моделират сложните процеси на квантовия свят.

Научни групи от целия свят създават изчислителни устройства, базирани на кудити, като използват леки частици, охладени до свръхниски температури атоми, сложни молекулярни съединения и свръхпроводници. Стабилността на тези структури обаче критично зависи от системите за корекция, които защитават деликатните квантови състояния от външни влияния и технически несъвършенства. Досега експерименталните методи за защита се ограничаваха до системи от две нива.

Изследователите са разработили принципно нов подход за защита на квантовата информация. Използван е изкуствен интелект за управление на сложните квантови състояния, способни да съхраняват три или четири стойности, а не две, както е при конвенционалните кубити. Алгоритъмът за подсилено обучение работи на принципа на пробата и грешката: системата изпробва различни стратегии за коригиране на грешките, оценява тяхната ефективност и постепенно намира оптималните решения.

Ефективността на метода надмина очакванията: системата не само достигна минималното ниво на надеждност, необходимо за практическо приложение, но и значително го надхвърли. Учените успяха да използват максимално предимствата на многомерното квантово пространство, създавайки надежден начин за съхраняване на информацията.

При това бе намерен интересен компромис: въпреки че новите квантови елементи губят фотоните малко по-бързо и квантовата последователност на състоянията се нарушава малко по-рано, отколкото при традиционните кубити, но тези малки недостатъци се компенсират с много по-голяма стойност. Сега е възможно да се съхранява много повече информация в един физически елемент, като се използват различни комбинации от квантови състояния.