Капризный квантовый бит укротили одним измерением. Ошибки рухнули на 54%
Физики нашли способ более чем вдвое сократить количество ошибок при работе квантового бита, добавив всего одно измерение перед вычислениями. В эксперименте со сверхпроводящим кубитом средняя вероятность ошибки снизилась с 0,14% до 0,065%, то есть на 54%. Разработанный метод позволяет автоматически подстраивать управление квантовым элементом, когда его характеристики неожиданно меняются.
Кубиты, из которых собирают квантовые компьютеры, очень чувствительны к помехам. В отличие от обычного бита, который хранит ноль или единицу, кубит способен находиться в квантовой суперпозиции двух состояний. Управлять сверхпроводящими кубитами помогают микроволновые импульсы, но для точных вычислений их частоту необходимо согласовывать с характеристиками самого устройства.
Исследователи столкнулись с неприятной особенностью одного из кубитов: его резонансная частота самопроизвольно переключалась между двумя значениями. Причиной стали микроскопические дефекты материала, которые влияли на работу электрической схемы. Кубит продолжал работать, однако управляющие импульсы периодически переставали попадать в нужную частоту, и вероятность ошибки возрастала.
Представить проблему проще на примере музыкального инструмента. Если гитарная струна внезапно расстроится, привычные движения пальцев уже не дадут нужного звука. С кубитом происходило нечто похожее: система управления посылала прежние сигналы, хотя физические свойства элемента успели измениться.
Чтобы справиться с непредсказуемыми переключениями, физики предложили проверять частоту непосредственно перед серией квантовых операций. Сначала кубит переводят в заранее выбранное состояние и ненадолго оставляют без управляющих воздействий. За короткое время его квантовое состояние меняется по-разному в зависимости от действующей частоты. Затем достаточно одного измерения, чтобы определить, какой из двух вариантов сейчас работает.
Полученный результат сразу поступает в управляющую электронику, которая корректирует следующие микроволновые импульсы. Раньше исследователи уже умели определять частоту кубита, но теперь научились использовать измерение для автоматической настройки прямо во время работы. Разработчики описали метод в научной работе, посвящённой управлению кубитом с двумя возможными резонансными частотами.
Метод проверили на сверхпроводящей квантовой схеме в Израиле. Без автоматической подстройки точность операций заметно колебалась, поскольку управляющие сигналы не всегда соответствовали текущей частоте кубита. После включения коррекции работа стала стабильнее. Если сравнивать с моментами, когда ошибки без коррекции достигали максимума, улучшение составило уже 77%.
Однако автоматическая настройка пока подходит лишь для определённых условий. Система должна заранее знать обе возможные частоты и уверенно различать их по результату измерения. Кроме того, частота не должна переключаться настолько быстро, чтобы электроника не успевала изменить управляющие сигналы.
В будущем метод может пригодиться при создании крупных квантовых процессоров. Даже очень чистые материалы сохраняют отдельные дефекты, способные мешать вычислениям. Автоматическая подстройка позволит компенсировать часть вызванных ими ошибок без изменения конструкции кубита. Пока физики продемонстрировали работу метода на одном элементе, а его эффективность в больших квантовых системах ещё предстоит проверить.