Международная команда физиков при участии специалистов Университета Рутгерса и IBM продемонстрировала важный шаг на пути к созданию надёжных квантовых компьютеров. Исследователям удалось экспериментально показать, как квантовая система может сохранять управляемость даже в условиях непрерывного возникновения ошибок и помех. На процессоре IBM Quantum Heron учёные задействовали 100 кубитов и обнаружили механизм, позволяющий противодействовать нарастающему квантовому хаосу непосредственно во время работы устройства.

Необычно и то, что научное исследование выросло из дружеского спора, призом в котором стало черничное мороженое. Спустя несколько лет теоретические предположения физиков получили экспериментальное подтверждение, а результаты работы были опубликованы в научном журнале Nature Physics. Хотя речь пока не идёт о создании полностью отказоустойчивого квантового компьютера, эксперимент помогает понять, каким образом будущие вычислительные системы смогут контролировать ошибки без постоянной остановки вычислительных процессов.

Почему квантовым компьютерам так сложно работать без ошибок

Современная цифровая техника обрабатывает информацию с помощью битов, каждый из которых принимает одно из двух значений: 0 или 1. На этом принципе построена работа практически всех привычных вычислительных устройств.

Квантовые компьютеры используют совершенно другой подход. Их базовые элементы — кубиты — способны находиться в суперпозиции состояний. Кроме того, между кубитами может возникать квантовая запутанность, позволяющая выполнять вычисления способами, недоступными классическим системам.

Благодаря этим особенностям квантовые процессоры рассматриваются как перспективный инструмент для моделирования молекул, исследования новых материалов, решения отдельных математических задач и разработки лекарственных препаратов.

Однако у технологии существует фундаментальная проблема — чрезвычайная чувствительность квантовых состояний к внешним воздействиям.

На результат вычислений могут повлиять температурные колебания, электромагнитные помехи, несовершенство управляющих импульсов и взаимодействие кубитов с окружающей средой.

Даже небольшие отклонения способны нарушить хранящуюся квантовую информацию. Причём с увеличением количества кубитов поддерживать точность и стабильность вычислений становится всё сложнее.

Именно поэтому создание эффективных механизмов обнаружения и исправления ошибок считается одним из главных условий дальнейшего развития квантовых технологий.

Эксперимент на процессоре IBM Quantum Heron

Для проверки своей теории исследователи воспользовались квантовым процессором IBM Quantum Heron, содержащим 156 кубитов.

В эксперименте была задействована система из 100 кубитов, внутри которой одновременно происходили два противоположных процесса.

Первый создавал сложную квантовую динамику, в результате которой информация распределялась между кубитами, а состояние системы становилось всё более запутанным.

Второй процесс был направлен на контроль этой динамики. Учёные выполняли последовательные измерения и операции сброса, позволяющие ограничивать распространение квантовой информации и изменять поведение всей системы.

Таким образом, исследователи намеренно столкнули два конкурирующих механизма: один усиливал квантовую запутанность, а другой препятствовал её неконтролируемому распространению.

Особенно важным оказалось то, что необходимые операции проводились многократно в ходе одного экспериментального процесса.

Это позволило изучить поведение квантового процессора в условиях непрерывного воздействия управляющих процедур, а не только после завершения вычислений.

Как учёные обнаружили переход от хаоса к порядку

Главным результатом эксперимента стало обнаружение резкого изменения поведения системы при достижении определённой интенсивности измерений.

Когда контрольные операции выполнялись сравнительно редко, квантовая динамика продолжала распространять запутанность между кубитами.

Однако увеличение частоты измерений и сбросов приводило к принципиально другому режиму работы.

При достижении критического соотношения между конкурирующими процессами система переходила в состояние, где распространение запутанности существенно ограничивалось.

В физике подобные изменения называют фазовыми переходами.

Наиболее привычный пример — превращение воды в лёд при изменении температуры. Но в квантовом эксперименте переход происходил не из-за охлаждения вещества, а вследствие изменения характера измерений и взаимодействий внутри вычислительной системы.

Такой эффект известен как фазовый переход, индуцированный измерениями.

Его экспериментальное наблюдение представляет особый интерес, поскольку позволяет изучать фундаментальные закономерности управления сложными квантовыми состояниями.

Почему тысячи измерений стали важной частью исследования

Одним из наиболее сложных аспектов работы была необходимость многократно выполнять измерения непосредственно во время функционирования квантового процессора.

Для обычных компьютеров постоянная проверка данных является привычной операцией. В квантовой системе всё значительно сложнее: измерение само по себе способно изменить состояние кубита.

Поэтому исследователям необходимо было организовать эксперимент таким образом, чтобы измерения становились управляемой частью квантовой динамики.

Профессор физики Университета Рутгерса Джедедия Пиксли, участвовавший в исследовании, отметил важность практической проверки теоретической модели.

По его словам, принципиальное значение имела способность оборудования выполнять необходимые процедуры не однократно, а тысячи раз подряд.

Успешная реализация такой последовательности показала, что современные квантовые процессоры уже способны поддерживать достаточно сложные схемы динамического управления.

В перспективе подобные возможности могут оказаться полезными при разработке более совершенных методов защиты квантовой информации.

Как дружеский спор превратился в научное исследование

История работы началась в 2021 году во время празднования дня рождения супруги Джедедии Пиксли.

Тогда между ним и физиком Срирамом Ганешаном возникла научная дискуссия о природе необычного квантового явления.

Ганешан предположил, что наблюдаемый эффект можно объяснить с помощью подходов, связанных с классической физикой. Пиксли придерживался другой точки зрения.

Чтобы сделать спор интереснее, коллеги договорились о символическом призе: проигравший должен был угостить победителя черничным мороженым.

В конечном счёте Пиксли признал поражение, однако сама дискуссия оказалась гораздо ценнее небольшого угощения.

Она подтолкнула исследователей к дальнейшему изучению явления, разработке теоретического описания и поиску возможности проверить предсказания на реальном квантовом оборудовании.

Позднее к работе подключились специалисты IBM и других научных организаций.

В результате идея, возникшая во время неформального разговора, превратилась в полноценное экспериментальное исследование.

Что открытие означает для будущих квантовых компьютеров

Одна из главных задач квантовой инженерии — создание отказоустойчивых вычислительных систем, способных обнаруживать и исправлять ошибки без разрушения полезной квантовой информации.

Для этого разрабатываются специальные алгоритмы, схемы измерений и методы квантовой коррекции ошибок.

Новый эксперимент имеет непосредственное отношение к этой области, поскольку демонстрирует возможность управления сложной квантовой динамикой с помощью многократно повторяющихся измерений.

Однако здесь существует важное различие.

Учёные не создали готовую систему автоматического исправления произвольных вычислительных ошибок. Они экспериментально исследовали физический механизм, который помогает понять, как измерения могут подавлять распространение квантовой запутанности и менять состояние многокубитной системы.

Это фундаментальная основа, потенциально полезная для дальнейшего развития отказоустойчивых архитектур.

В будущем подобные исследования могут помочь инженерам точнее определять условия, при которых квантовая информация остаётся управляемой, а также совершенствовать аппаратные и программные методы контроля вычислений.

Когда появятся действительно надёжные квантовые машины

Несмотря на значительный прогресс, создание универсального отказоустойчивого квантового компьютера остаётся сложной научно-технической задачей.

Разработчикам предстоит решить сразу несколько проблем: уменьшить физические ошибки кубитов, повысить точность квантовых операций, усовершенствовать методы коррекции и научиться масштабировать процессоры без критического роста вычислительных затрат.

При этом увеличение количества кубитов само по себе ещё не гарантирует практического преимущества. Не менее важны качество управления, стабильность оборудования и возможность выполнять длинные последовательности операций с приемлемой точностью.

Исследование с использованием IBM Quantum Heron показывает, что современные квантовые платформы постепенно приближаются к необходимому уровню сложности.

Главное достижение работы заключается в экспериментальном подтверждении того, что поведение большой квантовой системы можно существенно менять и контролировать прямо в процессе её работы.

И хотя до массового применения отказоустойчивых квантовых компьютеров ещё далеко, такие результаты формируют научную основу будущих технологий.

А история со спором на черничное мороженое напоминает, что иногда серьёзные открытия начинаются не в лаборатории, а с обычного разговора между увлечёнными своим делом учёными.