Исследователи достигли важнейшего рубежа в разработке фотонных квантовых компьютеров, продемонстрировав новый метод предотвращения ошибок еще до их возникновения. Используя технику, известную как дистилляция фотонов, ученые доказали возможность снижения уровня «шума» в световых системах, что устраняет серьезное препятствие на пути к созданию полномасштабных отказоустойчивых квантовых компьютеров.
Преимущества фотоники и её «ахиллесова пята»
Чтобы понять значимость этого прорыва, необходимо сначала разобраться в фундаментальном различии между двумя ведущими типами квантовых вычислений:
- Сверхпроводниковые квантовые компьютеры: Используют электронные цепи для создания кубитов. Несмотря на свою мощность, они выделяют огромное количество тепла и требуют экстремального охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю.
- Фотонные квантовые компьютеры: Используют частицы света (фотоны ) в качестве кубитов. Поскольку фотоны находятся в постоянном движении, они выделяют очень мало избыточного тепла, что потенциально позволяет таким системам работать при комнатной температуре.
Однако эта мобильность — палка о двух концах. Поскольку фотоны движутся со скоростью света и взаимодействуют через сложные оптические пути (зеркала и светоделители), они невероятно «хрупки». В фотонных системах ошибки часто возникают из-за «неучтенных фотонов» — частиц, которые не могут правильно взаимодействовать с другими и, по сути, дрейфуют по системе в виде бесполезного шума.
Проблема: ошибки еще до начала вычислений
В большинстве квантовых систем исправление ошибок происходит после того, как ошибка уже допущена. Это создает проблемы для систем на основе света, так как ошибки часто возникают еще до того, как фотон будет обработан как кубит.
Как объясняет Йелмер Ренема, главный ученый QuiX Quantum, фотонные вычисления по своей природе являются вероятностными. Когда исследователи манипулируют светом, они, по сути, управляют вероятностями. Без способа фильтрации «плохих» фотонов вероятность успешного вычисления падает с каждым новым компонентом, добавленным в систему. При традиционном масштабировании добавление новых кубитов часто порождает больше ошибок, чем решает, создавая математический барьер, который мешает компьютерам становиться больше или эффективнее.
Решение: дистилляция фотонов
Прорыв, описанный в недавнем исследовании, связан с процессом, называемым квантовой фотонной дистилляцией. Вместо того чтобы пытаться исправить ошибочный расчет, этот метод работает как высокотехнологичный фильтр.
Как это работает:
- Квантовая интерференция: Система использует специализированные оптические цепи для использования эффекта «квантовой интерференции» — явления, при котором вероятности различных квантовых состояний объединяются.
- Фильтрация «неучтенных» фотонов: Схема спроектирована таким образом, что вероятность того, что «неправильный» фотон попадет на выход, значительно ниже, чем вероятность прохождения «хорошего» фотона.
- Положительное масштабирование: Этот процесс позволяет получать высококачественные фотоны до того, как они будут использованы для вычислений.
Самым важным выводом является то, что эта техника позволяет достичь «снижения уровня ошибок ниже порога». Это означает, что по мере масштабирования и усложнения системы процесс дистилляции снижает уровень ошибок эффективнее, чем новые компоненты его увеличивают.
Почему это важно для будущего
Хотя такие компании, как Google, уже достигали подобных «пороговых» показателей с помощью сверхпроводниковых процессоров, это первый случай, когда подобное достижение было реализовано в системе на основе света.
Последствия этого колоссальны: если исследователи смогут поддерживать высокое качество кубитов без огромных «накладных расходов» (необходимого колоссального количества дополнительного оборудования для исправления ошибок), стоимость и сложность создания универсального квантового компьютера значительно снизятся. Это переводит фотонные вычисления из разряда теоретической возможности в плоскость жизнеспособной, масштабируемой технологии, способной превзойти самые мощные современные суперкомпьютеры.
Этот прорыв доказывает, что мы можем преодолеть «вероятностную» природу света и создать предсказуемую, масштабируемую архитектуру для вычислительных систем следующего поколения.
Заключение
Фильтруя ошибки в самом источнике с помощью дистилляции фотонов, ученые наметили путь к масштабированию квантовых компьютеров на основе света. Это достижение позволяет предположить, что высокопроизводительные квантовые вычисления при комнатной температуре могут быть гораздо ближе к реальности, чем считалось ранее.
