Новый эксперимент создает квантовые моды с блокировкой углов, давая представление о том, как будущее квантовое оборудование сможет избежать потери хрупкой информации.
Квантовые компьютеры обещают решать задачи, неразрешимые для современных машин, но их базовые элементы (кубиты) невероятно хрупкие. Даже малейшее возмущение может уничтожить всю хранящуюся в них хрупкую квантовую информацию.
Теперь команда под руководством Пань Цзяньвэя из Китайского университета науки и технологий сделала важный шаг на пути к решению этой проблемы.
В своей последней статье они сообщают о создании квантового блока, сохраняющего целостность даже при сотрясении. Это достижение было достигнуто с помощью мощного программируемого сверхпроводящего квантового процессора Zuchongzhi 2.
Значимость незыблемого квантового блока
Чтобы понять важность этой работы, представьте, что вы пытаетесь сохранить целым мыльный пузырь, проходя по переполненной людьми комнате. Примерно так же сложно сохранить квантовую информацию.
Традиционные методы коррекции ошибок помогают, но они сложны и требуют множества дополнительных кубитов. Команда Пана выбрала другой подход, обратившись к топологии — разделу математики, изучающему глобальные особенности геометрических фигур.
В топологических фазах материи некоторые свойства становятся удивительно устойчивыми, поскольку зависят от этих глобальных характеристик, а не от хрупких локальных деталей. Исследователи уже изучали топологические материалы, защищенные состояния которых возникают вдоль их краев.
Однако китайская группа стремилась к чему-то более труднодостижимому: топологическим фазам более высокого порядка, где защищённые состояния сосредоточены в ещё меньших областях, например, в углах. Эти «угловые моды» не являются буквально неразрушимыми, но они могут быть более устойчивы к возмущениям, чем обычные квантовые состояния.
Проект был особенно сложным из-за того, что команда сосредоточилась на неравновесных версиях этих фаз — системах, которые постоянно развиваются или приводятся в движение внешними силами вместо того, чтобы прийти к устойчивому состоянию.
Такие фазы не встречаются в материалах естественным образом, и у ученых нет надежных инструментов для их проверки или наблюдения.
Достижение топологического поведения высокого порядка
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали часть своего сверхпроводящего процессора Zuchongzhi 2, организовав сетку кубитов 6×6 для работы в качестве программируемого квантового симулятора.
Поскольку этот процессор можно перенастроить как квантовую версию центрального процессора, команда смогла разработать точные взаимодействия между кубитами, которые имитируют синтетический материал с топологическим поведением более высокого порядка.
Затем они применили последовательность контролируемых операций для получения искомых неравновесных топологических фаз. Для обнаружения этих фаз потребовалась новая стратегия: вместо анализа статических свойств они измеряли, как менялось поведение кубитов.
Отслеживая эту динамику, они выявили характерные признаки угловых мод, подтвердив, что как равновесные, так и неравновесные топологические фазы высшего порядка были успешно смоделированы.
«В этом исследовании мы реализовали как равновесные, так и неравновесные топологические фазы высшего порядка, используя двумерный программируемый сверхпроводящий квантовый процессор», — отмечают авторы исследования.
Короче говоря, группа использовала квантовый процессор для создания и исследования формы материи, которая не встречается в природе, и продемонстрировала, что она содержит небольшие топологически защищенные угловые состояния, которые ведут себя иначе, чем обычные конфигурации кубитов.
Будущие возможности и проблемы
Созданный исследователями квантовый блок представляет собой первую экспериментальную демонстрацию неравновесных топологических фаз высшего порядка на программируемом квантовом процессоре.
В нем показано, что даже современные шумные квантовые процессоры среднего масштаба могут использоваться в качестве универсальных платформ для создания и изучения экзотических состояний материи, предлагая мощный новый инструмент для будущего квантовой науки.
Хотя эта работа пока не привела к созданию полностью защищенного от ошибок кубита, она открывает многообещающее направление — использование топологии для проектирования квантовых состояний, которые по своей природе менее чувствительны к определенным возмущениям.
Если такие защищённые режимы удастся внедрить в будущее оборудование, они могут стать основой для более надёжной квантовой памяти или логических устройств. Это, в свою очередь, может открыть доступ к крупномасштабным квантовым вычислениям для таких задач, как сложное моделирование, разработка передовых материалов или исследования в области искусственного интеллекта.
Однако остаются важные проблемы. Например, продемонстрированные здесь защищённые угловые состояния существуют в тщательно контролируемой, смоделированной среде, а не в физическом материале. Их устойчивость в условиях реального шума всё ещё требует тщательного тестирования, и для применения в практических устройствах метод необходимо масштабировать далеко за пределы массива кубитов 6×6.
Дальнейшие шаги будут включать исследование взаимодействий между кубитами, изучение более сложных топологических фаз и применение подхода для исследования специально разработанных квантовых материалов — как в состоянии равновесия, так и вне его.
Исследование опубликовано в журнале Science.
Sourse: interestingengineering.com
