Новый подход проведения квантовых вычислений с помощью фотонов, защищающий их от различных помех, разработали ученые Национального исследовательского университета ИТМО, 31 мая сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу университета.

Квантовый компьютер, работа которого основана на законах квантовой физики, состоит из квантовых битов информации — кубитов, особенность которых в том, что они могут одновременно находиться в двух состояниях.

Квантовый компьютер, работа которого основана на законах квантовой физики, состоит из квантовых битов информации — кубитов, особенность которых в том, что они могут одновременно находиться в двух состояниях.

Такое состояние кубитов сохраняется в течение ограниченного промежутка времени, после которого случайные взаимодействия с окружающей средой нарушают это квантовое состояние, разрывая объединяющие их связи. Пытаясь продлить время жизни кубитов, физики и инженеры изолируют их от окружающей среды и корректируют возникающие ошибки в работе.

Исследователи ИТМО разработали метод, поддерживающий топологически защищенные состояния кубитов во время проведения квантовых вычислений с частицами света или их аналогами, существующими внутри сверхпроводящих квантовых компьютеров.

Топологическим называется особый тип состояний, защищенных глобальными симметриями системы, а потому нечувствительных к локальным возмущениям.

Один из авторов исследования, аспирант Нового физтеха Университета ИТМО Андрей Степаненко рассказал, что они спроектировали двумерный массив кубитов и исследовали в нем движение пар фотонов.

«Нюанс в том, что эти частицы „не знают“ ничего друг о друге, пока в систему не введено какое-либо эффективное взаимодействие между ними. Чтобы эффективное взаимодействие фотонов было сильным, мы использовали переход Джозефсона — диэлектрик, расположенный между двумя сверхпроводниками; многие сверхпроводящие кубиты построены именно на этом элементе. Это позволило нам создать топологическую фазу, заставить фотоны взаимодействовать и сформировать связанное состояние», — пояснил Степаненко.

Взаимодействие частиц создает в системе особенный топологический порядок. При этом у такой двумерной структуры на ее границе появляются уже два типа состояний — краевое и угловое. Ученые выяснили, как беспорядок в системе может влиять на краевые состояния, промоделировав реальную структуру, в которой кубиты немного различаются.

«Наблюдая за изменениями спектра системы, мы убедились, что если краевое состояние топологическое, то оно будет защищено от флуктуаций в связях между кубитами. Это, уже само по себе интересное свойство, мы впервые продемонстрировали в двумерной системе, в которой можно реализовать квантовый транспорт», — рассказал другой автор исследования Марк Любаров.

Андрей Степаненко отметил, что для одного из перспективных алгоритмов кубитных вычислений — бозонного сэмплинга, при котором в систему запускают фотоны и затем наблюдают, как они распределятся спустя некоторое время, их метод демонстрирует, что в топологических массивах кубитов результат такого алгоритма тоже защищен от беспорядка.

Ученые считают, что разработанный ими подход позволит нарастить число кубитов внутри квантовых чипов и ускорит создание вычислительных машин, способных сверхбыстро решать сложные задачи. Авторы намерены продолжать исследования.