Вчені придумали, як захистити квантові комп'ютери від негативу космічних променів

У США фізики виявили закономірності в помилках квантових комп'ютерів і знайшли причину збоїв, яка заважає побудувати стабільну систему.

Дослідження на цю тему було опубліковано в науковому журналі Nature, передає сайт Ліверморської національної лабораторії імені Е. Лоуренса.

Американські дослідники вирішили розібратися, що викликає помилки при квантових обчисленнях і як на них реагують квантові схеми. Розуміння цих явищ дозволить зібрати комп'ютер нового типу, що працює без збоїв. Під час експерименту група з Університету Вісконсін-Медісон спостерігала за прототипом пристрою і помітила, що коливання електричних зарядів декількох кубітів сильно залежать один від одного.

Як виявилося, коли в навколишньому середовищі відбуваються зміни, такі як сплеск енергії, вони можуть одночасно торкнутися кожен кубіт в безпосередній близькості від джерела, що викликає взаємопов'язані помилки по всій системі. Крім того, причиною зміни стану квантових бітів, що провокують збої, можуть бути так звані космічні промені — елементарні частинки і ядра атомів, які заповнюють космічний простір і постійно стикаються із Землею.

Квантові частинки, як відомо, значною мірою схильні до впливу навколишнього середовища, і будь-які контакти з нею можуть викликати руйнування їхньої суперпозиції. Як пояснив співавтор статті Джонатан Дюбуа, більшість сучасних методів виправлення помилок у квантових комп'ютерах припускають, що збої в кубітах виникають випадковим чином. Корельовані (взаємопов'язані) помилки дуже складно виправити, але можна усунути їхню першопричину.

Заряджені імпульси від космічного випромінювання, що поглинаються квантовим комп'ютером, можуть викликати вибух високоенергетичних електронів, який розсіює атоми і змінює електричне поле. В результаті підкладка пристрою вібрує і нагрівається настільки, що руйнує кубіти і їхні квантові стани. Однак якщо захистити комп'ютер від такого впливу, ймовірність помилки різко зменшиться.

Щоб побачити збої, дослідники відправили радіочастотні сигнали в систему з чотирма кубітами, виміряли їхній спектр збудження, провели спектроскопію і змогли побачити, як кубіти "перевертаються" з одного квантового стану в інший у відповідь на зміни в зарядному середовищі. Фізики вивчили "термін життя" кубітів — час, протягом якого частки можуть залишатися в суперпозиції — зміни в стані заряду корелювали зі скороченням часу життя всіх кубітів в системі. Вони прийшли до висновку, що для виправлення помилок потрібен новий підхід, який дозволить пом'якшити вплив космічних променів та інших частинок в системі.

"Якщо наша модель зіткнення частинок вірна, то можна очікувати, що велика частина енергії перетворюється на вібрації в чіпі, які поширюються на великі відстані. У міру поширення енергії спротив призведе до переворотів кубітів, які корелюють з усього чіпу", — додав аспірант UW-Madison Кріс Вілен, провідний автор статті.

Вчені й раніше підозрювали про згубний вплив космічних променів на кубіти, але вперше довели це експериментально. Вони розраховують, що їхнє відкриття вплине на структуру майбутніх квантових комп'ютерів. Можливо, розробники будуть захищати системи свинцевими екранами або радіаторами для поглинання енергії, ізолювати кубіти за допомогою нових матеріалів або зовсім розміщувати пристрої під землею.

"По суті, ця стаття показує, що якщо космічний промінь високої енергії потрапляє в пристрій в якомусь місці, він може вплинути на все в пристрої відразу. Якщо ви не зможете запобігти цьому, ви не зможете ефективно виправляти помилки, і ви ніколи не зможете побудувати робочу систему без цього", — зазначив Дюбуа.

Автор повідомив, що разом з командою намагається зрозуміти динаміку "мікроскопічного вибуху", який відбувається всередині квантових пристроїв при взаємодії з високоенергетичними частинками. Вони вже розробляють способи поглинання енергії до того, як вона зможе зруйнувати квантові стани.

"Потенційно є способи спроектувати систему так, щоб вона була якомога більш нечутливою до подій такого роду, і для цього вам потрібно дійсно добре розуміти, як вона нагрівається, як остигає і що саме відбувається протягом всього процесу при впливі радіаційного фону".

Раніше вчені придумали, як управляти квантовими комп'ютерами за допомогою магнітних полів. Для цього вони замінюють дроти на спеціальні кристали, які проводять електроенергію.