Китайски учени са разбрали как да измамят Вселената и да създадат устойчив на грешки квантов компютър

Отдавна е известно, че космическите лъчи могат да предизвикат грешки в работата на квантовите компютри, които се коригират много по-трудно, отколкото при класическите компютърни системи. Учени от Китай са доказали пряка връзка между космическите лъчи и грешките в кюбитите, като предлагат начин за компенсирането им. Най-интересното е, че същият метод може да се използва за изучаване на космическите лъчи и дори за търсене на мистериозната тъмна материя.

Кюбитите или квантовите битове са изключително чувствителни към всякакви физически въздействия – от вибрации до магнитни полета. Частиците, пристигащи от космоса и дори гама-лъчите със земен произход също могат да повлияят на квантовите състояния на кюбитите.

За да оценят влиянието на последните две явления, учени от Пекинската академия по квантова информатика, в сътрудничество с колеги от съответните институти са създали инсталация, в която са комбинирани 63-кюбитов свръхпроводящ квантов процесор и сензори за мюони и гама-лъчи.

Сензорите бяха разположени непосредствено под процесора, което позволило свързването на частиците, попадащи върху процесора със състоянието на кюбитите. Експериментите показаха, че приблизително веднъж на всеки 67 секунди кюбитите реагират на мюони (продукт от разпада на високоенергийни космически частици в земната атмосфера) и много по-често на гама лъчи (фотони със съответните честоти). Общо 81,6% от избухванията на квазичастици в кюбитите са били причинени от гама-лъчение, а останалите 18,4% – от мюони.

Трябва да се поясни, че учените са наблюдавали т.нар. зарядни състояния на кюбитите (charge-parity states). Частиците отвън разрушавали куперовите двойки електрони в свръхпроводящия материал на кюбита, превръщайки отделните електрони в квазичастици. Това довело до промяна в четността на заряда в кюбита. По-точно, в отговор на летящи мюони или гама фотони в кюбита се появил взрив от квазичастици, който бил регистриран от инструментите. Това дало възможност да се открие ясна връзка между енергийна частица, попаднала в квантовия процесор и повредата на кюбитите.

Облицоването на криогенната камера с процесора и сензорите с олово намалило влиянието на гама-фотоните върху отказите на кюбитите, но не забавило мюоните по никакъв начин. Квантовите компютри ще трябва да бъдат скрити дълбоко под земята, за да се постигне устойчивост на грешки при квантовите изчисления, което няма да направи тази технология масова.

От друга страна, откритата връзка между повредите на кюбита и частиците от космоса ще помогне за създаването на алгоритми за коригиране на такива грешки. Най-малкото, мюонните сензори биха могли просто да изключат отказалите части на квантовия процесор. Това би направило квантовите системи по-сложни, но би им позволило да работят без да се намират дълбоко под земята.

Изследването повдигна важен въпрос, който поставя под съмнение перспективите за устойчиви на грешки квантови компютри, базирани на хипотетични майорана фермиони.

Особено след като Microsoft твърди, че разполага с прототип на процесор, базиран на тези частици. По-точно, процесорът Majorana 1 работи с квазичастици, които имитират поведението на майорана фермионите. Китайски учени са доказали връзка между космическите частици и нестабилността на квазичастиците, което налага да се обърне по-голямо внимание на процесора на Microsoft и като цяло на перспективите на майорановите фермиони като основа за кюбити. В края на краищата, това са основните кандидати за устойчиви на грешки квантови компютри.

Важна последица от установяването на връзката между космическите частици и кюбитите е, че създадените от китайците съоръжения биха могли да се превърнат в детектори на непознати за физиката частици, включително и за търсенето на тъмна материя, но това е друга тема.