Всё, что мы знали о кубитах — устарело. Приветствуем кутриты, кукварты и квантовую стабильность
NewsMakerТеперь квант может помнить, думать и не ошибаться.
Специалистам Йельского университета впервые в истории науки удалось продемонстрировать механизм исправления ошибок в многоуровневых квантовых системах. Результаты исследования опубликовал научный журнал Nature.
Традиционные квантовые машины обрабатывают данные с помощью кубитов — элементарных ячеек, способных принимать два базовых значения: ноль и единицу. Благодаря уникальному свойству квантовой механики — суперпозиции — кубит может одновременно находиться в обоих состояниях. Математики описывают такую структуру через двумерное комплексное векторное пространство, названное в честь Давида Гильберта.
Йельские физики шагнули дальше и разработали принципиально новые элементы — кудиты, существующие сразу в нескольких состояниях. Экспериментальная установка включала кутрит, способный принимать три различных значения, и кукварт, работающий с четырьмя уровнями. Защиту этих сложных конфигураций обеспечил особый метод — код Готтесмана-Китаева-Прескилла, разработанный специально для бозонных частиц.
Величина пространства Гильберта определяет мощность квантового компьютера. Расширение этого параметра позволяет машине выполнять более сложные операции. Именно потенциал кудитов здесь привлекает особое внимание: многоуровневые системы облегчают создание вычислительных схем, ускоряют работу алгоритмов, формируют необходимые для вычислений "магические" состояния и моделируют комплексные процессы квантового мира.
Научные группы по всему миру создают вычислительные устройства на основе кудитов, применяя световые частицы, охлаждённые до сверхнизких температур атомы, сложные молекулярные соединения и сверхпроводники. Однако стабильность таких конструкций критически зависит от систем коррекции, оберегающих деликатные квантовые состояния от внешних воздействий и технических несовершенств. До настоящего момента экспериментальные методы защиты ограничивались двухуровневыми системами.
Исследователи разработали принципиально новый подход к защите квантовой информации. Для управления сложными квантовыми состояниями, способными хранить не два значения, как обычные кубиты, а три или четыре, был задействован искусственный интеллект. Алгоритм обучения с подкреплением работает по принципу проб и ошибок: система пробует разные стратегии коррекции ошибок, оценивает их эффективность и постепенно находит оптимальные решения.
Эффективность метода превзошла ожидания: система не просто достигла минимального уровня надёжности, необходимого для практического применения, но и значительно превысила его. Учёным удалось максимально использовать преимущества многомерного квантового пространства, создав надёжный способ хранения информации.
При этом обнаружился интересный компромисс: хотя в новых квантовых элементах фотоны теряются чуть быстрее, а квантовая согласованность состояний нарушается немного раньше, чем в традиционных кубитах, эти небольшие недостатки с лихвой окупаются. В одном физическом элементе теперь можно хранить гораздо больше информации, используя различные комбинации квантовых состояний.
Специалистам Йельского университета впервые в истории науки удалось продемонстрировать механизм исправления ошибок в многоуровневых квантовых системах. Результаты исследования опубликовал научный журнал Nature.
Традиционные квантовые машины обрабатывают данные с помощью кубитов — элементарных ячеек, способных принимать два базовых значения: ноль и единицу. Благодаря уникальному свойству квантовой механики — суперпозиции — кубит может одновременно находиться в обоих состояниях. Математики описывают такую структуру через двумерное комплексное векторное пространство, названное в честь Давида Гильберта.
Йельские физики шагнули дальше и разработали принципиально новые элементы — кудиты, существующие сразу в нескольких состояниях. Экспериментальная установка включала кутрит, способный принимать три различных значения, и кукварт, работающий с четырьмя уровнями. Защиту этих сложных конфигураций обеспечил особый метод — код Готтесмана-Китаева-Прескилла, разработанный специально для бозонных частиц.
Величина пространства Гильберта определяет мощность квантового компьютера. Расширение этого параметра позволяет машине выполнять более сложные операции. Именно потенциал кудитов здесь привлекает особое внимание: многоуровневые системы облегчают создание вычислительных схем, ускоряют работу алгоритмов, формируют необходимые для вычислений "магические" состояния и моделируют комплексные процессы квантового мира.
Научные группы по всему миру создают вычислительные устройства на основе кудитов, применяя световые частицы, охлаждённые до сверхнизких температур атомы, сложные молекулярные соединения и сверхпроводники. Однако стабильность таких конструкций критически зависит от систем коррекции, оберегающих деликатные квантовые состояния от внешних воздействий и технических несовершенств. До настоящего момента экспериментальные методы защиты ограничивались двухуровневыми системами.
Исследователи разработали принципиально новый подход к защите квантовой информации. Для управления сложными квантовыми состояниями, способными хранить не два значения, как обычные кубиты, а три или четыре, был задействован искусственный интеллект. Алгоритм обучения с подкреплением работает по принципу проб и ошибок: система пробует разные стратегии коррекции ошибок, оценивает их эффективность и постепенно находит оптимальные решения.
Эффективность метода превзошла ожидания: система не просто достигла минимального уровня надёжности, необходимого для практического применения, но и значительно превысила его. Учёным удалось максимально использовать преимущества многомерного квантового пространства, создав надёжный способ хранения информации.
При этом обнаружился интересный компромисс: хотя в новых квантовых элементах фотоны теряются чуть быстрее, а квантовая согласованность состояний нарушается немного раньше, чем в традиционных кубитах, эти небольшие недостатки с лихвой окупаются. В одном физическом элементе теперь можно хранить гораздо больше информации, используя различные комбинации квантовых состояний.