Ученые научились следить за «настроением» кубитов в реальном времени

Одна из главных проблем на пути создания мощных квантовых компьютеров — крайняя нестабильность их фундаментальных элементов, кубитов. Исследователи из Института Нильса Бора (Дания) совершили важный шаг к решению этой проблемы. Используя комбинацию коммерческого оборудования и передовых адаптивных алгоритмов, физики впервые смогли наблюдать за быстрыми изменениями в состоянии кубитов по мере их возникновения.

Проблема «плохих» соседей: почему кубиты так капризны?

Кубиты — это сердце квантового компьютера. В отличие от битов в обычных ПК, которые могут быть либо 0, либо 1, кубиты могут находиться в суперпозиции состояний, что открывает невероятные перспективы для вычислений. Однако эта мощь имеет обратную сторону: кубиты чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям.

Материалы, из которых они создаются, содержат микроскопические дефекты. Эти дефекты могут перемещаться сотни раз в секунду, подобно тому, как хаотично движутся частицы пыли в луче света. Когда дефект меняет положение, он влияет на скорость потери энергии кубитом (процесс релаксации), а вместе с ней — и на ценные квантовые данные.

До недавнего времени стандартные методы измерения занимали около минуты. Это все равно что пытаться сфотографировать пулю в полете, используя выдержку в несколько часов. Ученые видели лишь среднюю температуру по больнице, не подозревая, что «температура» кубита скачет сотни раз в секунду.

Как поймать флуктуацию за долю секунды?

Команда из Центра квантовых устройств Института Нильса Бора под руководством доктора Фабрицио Берритты разработала систему, которая обновляет оценку скорости релаксации кубита в течение миллисекунд. Это совпадает с естественной скоростью происходящих внутри кубита процессов.

Секрет кроется в использовании FPGA (программируемой пользователем вентильной матрицы). Это специализированный чип, способный выполнять операции с минимальными задержками.

Как это работает:

1. Система проводит измерение кубита.

2. FPGA мгновенно обрабатывает данные и обновляет «предположение» (байесовскую модель) о текущем состоянии кубита.

3. Следующее измерение проводится уже с учетом новых данных.

Этот цикл происходит после каждого единичного измерения, что делает систему примерно в 100 раз быстрее всех предыдущих разработок. Раньше на обновление данных уходили минуты, теперь — доли секунды.

«Это все равно что наблюдать за бегуном на стометровке и корректировать его тактику в реальном времени, вместо того чтобы анализировать запись забега неделю спустя», — поясняют исследователи.

Симбионт науки и индустрии: обычное «железо» для необычных задач

Важно отметить, что ученые не создавали оборудование с нуля. Они использовали коммерчески доступный контроллер OPX1000 от компании Quantum Machines. Это устройство программируется на языке, похожем на Python, что делает метод доступным для повторения в научных лабораториях по всему миру.

Сама квантовая микросхема (чип с кубитами) была разработана и произведена в Технологическом университете Чалмерса (Швеция). Тесная кооперация между датскими и шведскими физиками позволила добиться той самой «сцепки» логики, измерений и обратной связи, которая сделала эксперимент успешным.

«Контроллер позволяет реализовать очень плотную интеграцию между логикой, измерениями и прямой связью, — комментирует доцент Мортен Кьергор. — Именно эти компоненты сделали наш эксперимент возможным».

Почему это открытие меняет правила игры?

В мире квантовых технологий прогресс часто идет мелкими шагами, но это открытие — настоящий квантовый скачок в понимании того, как тестировать и калибровать процессоры.

Ранее ученые ориентировались на средние показатели и считали, что кубит может «испортиться» за минуты или часы. Новые данные показывают шокирующую реальность: хороший кубит может превратиться в плохой за доли секунды.

«Сегодня общая производительность квантового процессора определяется не лучшими кубитами, а худшими, — объясняет доктор Фабрицио Берритта. — Сюрприз нашей работы в том, что «хороший» кубит может стать «плохим» за ничтожные доли секунды, а не за минуты».

Что дает новый метод:

1. Мгновенная диагностика: Алгоритм может определить, какой кубит «хорош», а какой «плох» прямо сейчас.

2. Экономия времени: Сбор статистики по «плохим» кубитам теперь занимает секунды вместо дней.

3. Новые горизонты: Теперь, когда ученые видят проблему, они могут начать искать ее физическую природу.

«Мы до сих пор не можем объяснить большую часть наблюдаемых флуктуаций, — признает Фабрицио. — Понимание и контроль физики, стоящей за этими процессами, будет необходимым условием для масштабирования квантовых процессоров до действительно полезных размеров».

Работа исследователей не только ускоряет процесс калибровки, но и открывает глаза на истинную динамику квантового мира, делая создание мощного квантового компьютера еще на один шаг ближе.

По материалам sciensedaily.org (Источник: Университет Копенгагена)