Кубит — сам себе ремонтник: квантовая сеть знает, когда ошиблась… и может это исправить
NewsMakerХакеры, держитесь: китайцы создали системы с алмазным иммунитетом.
Учёные из Университета Цинхуа, Национальной лаборатории Хэфэя и Пекинской академии квантовой информации разработали принципиально новый подход к созданию надёжных квантовых сетей. В журнале Nature Physics они рассказали, как заставили сетевой узел самостоятельно находить и устранять ошибки при передаче данных.
Квантовые технологии обещают совершить революцию в мире вычислений. В отличие от обычных компьютеров, оперирующих битами информации — нулями и единицами, квантовые системы используют квантовые биты, или кубиты. Главное преимущество кубитов заключается в их уникальных свойствах, которые подчиняются законам квантовой механики.
Первое такое свойство — суперпозиция — позволяет кубиту находиться одновременно в состоянии и нуля, и единицы, пока не произведено измерение. Представьте монету, которая при подбрасывании не просто вращается, а действительно пребывает одновременно и в положении орла, и в положении решки. Только при "измерении" — когда монета падает на стол — она принимает определённое состояние.
Второе важнейшее свойство — квантовая запутанность — связывает два или более кубита так, что состояние каждого из них нельзя описать отдельно от остальных. Когда кубиты запутаны, изменение состояния одного мгновенно влияет на состояние другого, даже если они разделены большим расстоянием. В классическом мире похожий эффект можно наблюдать у пары перчаток: когда вы находите правую перчатку, вы мгновенно узнаёте, что вторая — левая, но в квантовом мире эта связь гораздо глубже и сложнее.
На основе этих явлений учёные создают квантовые сети — системы связанных между собой узлов, способных передавать и обрабатывать квантовую информацию. Такие сети смогут не только обеспечить абсолютно защищённую от взлома связь, но и объединить квантовые компьютеры в единую систему, многократно увеличив их вычислительную мощность.
Однако на пути к практическому применению квантовых сетей стоит серьёзная проблема: квантовые состояния чрезвычайно хрупки. Любое внешнее воздействие — будь то тепловые колебания, электромагнитные поля или попытка измерения — может нарушить квантовые свойства системы и привести к ошибкам в передаче информации.
В классических компьютерах ошибки легко обнаружить и исправить. Если бит случайно "перевернулся" из 0 в 1 или наоборот, система может сравнить его с копиями и восстановить правильное значение. Но в квантовом мире сделать копию состояния невозможно — таков фундаментальный закон квантовой механики. К тому же сама попытка проверить состояние кубита неизбежно разрушает его квантовые свойства.
Команда китайских физиков предложила оригинальное решение. Они создали гибридный узел квантовой сети на основе дефектов в кристалле алмаза — так называемых азотно-вакансионных центров. В таких центрах один атом углерода заменён атомом азота, а соседняя позиция в кристаллической решётке остаётся пустой. Благодаря своей уникальной структуре эти дефекты могут служить кубитами.
За десять лет исследований учёные разработали методы управления различными квантовыми свойствами этих центров. Они научились контролировать спины (квантовые характеристики, похожие на вращение) электронов, атомных ядер и одиночных фотонов — частиц света. Более того, им удалось создавать запутанные состояния между разными типами спинов.
В новой работе исследователи впервые объединили все эти достижения в единую систему. Они продемонстрировали согласованное управление тремя разными типами кубитов в одном узле сети. Электронные спины отвечают за обработку информации, ядерные — за её хранение, а фотонные — за передачу между узлами сети.
Главное достижение учёных — разработка метода обнаружения и исправления ошибок, который не разрушает квантовую информацию. Они смогли отслеживать состояния логических кубитов, запутанных с фотонами, и корректировать "перевороты" битов, сохраняя при этом квантовые свойства системы. По сути, им удалось создать самокорректирующийся квантовый узел.
"За последнее десятилетие мы постепенно разработали все необходимые инструменты, — рассказывает один из авторов исследования Паньюй Хоу. — Теперь, объединив их, мы можем управлять всей системой с высокой точностью".
В ближайшем будущем учёные планируют расширить возможности системы. Они хотят добавить больше кубитов, чтобы научиться исправлять не только перевороты битов, но и фазовые ошибки — ещё один тип квантовых искажений. Также команда работает над повышением точности измерений.
"Когда мы добьёмся стабильной работы одного узла, сможем создать ещё несколько и объединить их в небольшую квантовую сеть", — делится планами Хоу.
В перспективе технология найдёт применение во многих областях. Квантовые сети обеспечат невзламываемую связь: любая попытка перехватить передаваемую информацию неизбежно разрушит квантовые состояния и будет обнаружена. Высокоточные квантовые датчики позволят создать новые навигационные системы. А объединённые в сеть квантовые компьютеры смогут моделировать сложные молекулярные и химические процессы, что ускорит разработку новых материалов и лекарств.
Учёные из Университета Цинхуа, Национальной лаборатории Хэфэя и Пекинской академии квантовой информации разработали принципиально новый подход к созданию надёжных квантовых сетей. В журнале Nature Physics они рассказали, как заставили сетевой узел самостоятельно находить и устранять ошибки при передаче данных.
Квантовые технологии обещают совершить революцию в мире вычислений. В отличие от обычных компьютеров, оперирующих битами информации — нулями и единицами, квантовые системы используют квантовые биты, или кубиты. Главное преимущество кубитов заключается в их уникальных свойствах, которые подчиняются законам квантовой механики.
Первое такое свойство — суперпозиция — позволяет кубиту находиться одновременно в состоянии и нуля, и единицы, пока не произведено измерение. Представьте монету, которая при подбрасывании не просто вращается, а действительно пребывает одновременно и в положении орла, и в положении решки. Только при "измерении" — когда монета падает на стол — она принимает определённое состояние.
Второе важнейшее свойство — квантовая запутанность — связывает два или более кубита так, что состояние каждого из них нельзя описать отдельно от остальных. Когда кубиты запутаны, изменение состояния одного мгновенно влияет на состояние другого, даже если они разделены большим расстоянием. В классическом мире похожий эффект можно наблюдать у пары перчаток: когда вы находите правую перчатку, вы мгновенно узнаёте, что вторая — левая, но в квантовом мире эта связь гораздо глубже и сложнее.
На основе этих явлений учёные создают квантовые сети — системы связанных между собой узлов, способных передавать и обрабатывать квантовую информацию. Такие сети смогут не только обеспечить абсолютно защищённую от взлома связь, но и объединить квантовые компьютеры в единую систему, многократно увеличив их вычислительную мощность.
Однако на пути к практическому применению квантовых сетей стоит серьёзная проблема: квантовые состояния чрезвычайно хрупки. Любое внешнее воздействие — будь то тепловые колебания, электромагнитные поля или попытка измерения — может нарушить квантовые свойства системы и привести к ошибкам в передаче информации.
В классических компьютерах ошибки легко обнаружить и исправить. Если бит случайно "перевернулся" из 0 в 1 или наоборот, система может сравнить его с копиями и восстановить правильное значение. Но в квантовом мире сделать копию состояния невозможно — таков фундаментальный закон квантовой механики. К тому же сама попытка проверить состояние кубита неизбежно разрушает его квантовые свойства.
Команда китайских физиков предложила оригинальное решение. Они создали гибридный узел квантовой сети на основе дефектов в кристалле алмаза — так называемых азотно-вакансионных центров. В таких центрах один атом углерода заменён атомом азота, а соседняя позиция в кристаллической решётке остаётся пустой. Благодаря своей уникальной структуре эти дефекты могут служить кубитами.
За десять лет исследований учёные разработали методы управления различными квантовыми свойствами этих центров. Они научились контролировать спины (квантовые характеристики, похожие на вращение) электронов, атомных ядер и одиночных фотонов — частиц света. Более того, им удалось создавать запутанные состояния между разными типами спинов.
В новой работе исследователи впервые объединили все эти достижения в единую систему. Они продемонстрировали согласованное управление тремя разными типами кубитов в одном узле сети. Электронные спины отвечают за обработку информации, ядерные — за её хранение, а фотонные — за передачу между узлами сети.
Главное достижение учёных — разработка метода обнаружения и исправления ошибок, который не разрушает квантовую информацию. Они смогли отслеживать состояния логических кубитов, запутанных с фотонами, и корректировать "перевороты" битов, сохраняя при этом квантовые свойства системы. По сути, им удалось создать самокорректирующийся квантовый узел.
"За последнее десятилетие мы постепенно разработали все необходимые инструменты, — рассказывает один из авторов исследования Паньюй Хоу. — Теперь, объединив их, мы можем управлять всей системой с высокой точностью".
В ближайшем будущем учёные планируют расширить возможности системы. Они хотят добавить больше кубитов, чтобы научиться исправлять не только перевороты битов, но и фазовые ошибки — ещё один тип квантовых искажений. Также команда работает над повышением точности измерений.
"Когда мы добьёмся стабильной работы одного узла, сможем создать ещё несколько и объединить их в небольшую квантовую сеть", — делится планами Хоу.
В перспективе технология найдёт применение во многих областях. Квантовые сети обеспечат невзламываемую связь: любая попытка перехватить передаваемую информацию неизбежно разрушит квантовые состояния и будет обнаружена. Высокоточные квантовые датчики позволят создать новые навигационные системы. А объединённые в сеть квантовые компьютеры смогут моделировать сложные молекулярные и химические процессы, что ускорит разработку новых материалов и лекарств.