Динамическое развязывание: прорыв для повышения производительности квантовых компьютеров

• Исследователи спроектировали теоретический метод улучшения производительности квантовых вычислений.
• Метод известен как динамическое развязывание (Dynamical Decoupling) и сработал на 2 малых квантовых компьютерах.
• Он не требует накладных расходов на кодирование и работает путем преобразования квантовых ворот в развязывающие импульсы.

Концепция квантовых вычислений была представлена в начале 1980-х. Идея — использовать квантовые биты (кубиты, которые могут быть в суперпозиции состояний) вместо бинарных битов для выполнения вычислений безопасно и на экстремально высокой скорости.

Три десятилетия спустя область квантовых вычислений все еще в зачаточном состоянии. Хотя сотни тестов проводились, в которых квантовые вычисления выполнялись на небольшом числе кубитов.

Ожидается, что квантовые компьютеры будут в несколько миллионов раз быстрее современных суперкомпьютеров, и у них есть потенциал революционизировать финансы, оборону, информационные технологии и медицинскую индустрию. Они используют поведение атомов для выполнения невероятно сложных задач на экстремально высоких скоростях.

У них есть однако некоторые ограничения. Они высоко подвержены ошибкам и требуют стабильности для поддержания операций. Обычно они не функционируют должным образом и производят плохие результаты. Исследователи по всему миру все еще не смогли достичь квантовой машины, которая превосходит традиционный компьютер в любой задаче.

Главная проблема современных квантовых компьютеров — «шум» — помехи, вызванные вибрацией, температурой и звуком. Он генерирует декогеренцию, которая может сделать кубиты нестабильными, нарушая длительность квантового состояния. Это уменьшает время, в течение которого квантовая машина может точно выполнять задачу (без ошибок).

Квантовая машина с слишком большим декогеренцией не имеет пользы. Если вы можете решить эту проблему, вы можете достичь точки, где квантовые вычисления становятся практичными и более продуктивными, чем конвенциональные компьютеры.

Недавно исследователи из Южно-Калифорнийского университета раскрыли теоретический метод улучшения производительности квантовых вычислений. Он устраняет слабость текущих квантовых компьютеров, минимизируя ошибочные вычисления, в то время как повышает точность результатов. Метод известен как динамическое развязывание (DD) и сработал на 2 квантовых компьютерах.

DD разработан для подавления декогеренции через применение импульсов к системе, которые отменяют взаимодействие между системой и средой до заданного порядка в теории временно-зависимых возмущений. В целом, он не требует накладных расходов на кодирование и работает путем преобразования квантовых ворот в развязывающие импульсы.

Источник: Physical Review Letters | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

Временные последовательности для этих тестов были очень малы: 200 импульсов записывались в течение 0,6 микросекунд.

Применение динамического развязывания в современных квантовых машинах

Исследователи протестировали DD на 2 квантовых компьютерах — 16-кубитном QX5 от IBM и 19-кубитном Acorn от Rigetti — и обнаружили, что это легче и надежнее, чем другие методы. Это подходит для внедрения в существующие малые облачные квантовые компьютеры.

8-кубитный квантовый процессор | Источник изображения: Rigetti Computing

Метод может защищать запутанные двухкубитные состояния до определенной степени. Различные последовательности динамического развязывания могут смягчать как дефазирование, так и ошибки спонтанного излучения. В отличие от предыдущих исследований, они не использовали квантовые коды коррекции ошибок и таким образом достигли исключительных улучшений точности против естественной декогеренции.

Финальная точность для IBM QX5 выросла с 28,9% до 88,4%, в то время как для Rigetti Acorn она улучшилась с 59,8% до 77,1%. Исследователи также обнаружили, что больше импульсов всегда позволяют улучшениям точности сохраняться дольше в квантовом компьютере Rigetti, тогда как для компьютера IBM был предел примерно в 100 импульсов.

Читайте также: 18 самых интересных фактов о квантовых компьютерах

В целом, исследование показывает, что механизм динамического развязывания работает гораздо лучше, чем существующие техники квантовой коррекции ошибок.