Дослідники досягли найважливішого рубежу в розробці фотонних квантових комп’ютерів, продемонструвавши новий метод запобігання помилок ще до їх виникнення. Використовуючи техніку, відому як дистиляція фотонів, вчені довели можливість зниження рівня «шуму» у світлових системах, що усуває серйозну перешкоду на шляху до створення повномасштабних відмовостійких квантових комп’ютерів.
Переваги фотоніки та її «ахіллесова п’ята»
Щоб зрозуміти значущість цього прориву, необхідно спочатку розібратися у фундаментальній різниці між двома провідними типами квантових обчислень:
- Надпровідникові квантові комп’ютери: Використовують електронні ланцюги для створення кубітів. Незважаючи на свою потужність, вони виділяють величезну кількість тепла та вимагають екстремального охолодження до температур, близьких до абсолютного нуля.
- Фотонні квантові комп’ютери: Використовують частинки світла (фотони ) як кубити. Оскільки фотони перебувають у постійному русі, вони виділяють дуже мало надлишкового тепла, що потенційно дозволяє таким системам працювати при кімнатній температурі.
Однак ця мобільність — палиця з двома кінцями. Оскільки фотони рухаються зі швидкістю світла і взаємодіють через складні оптичні шляхи (дзеркала та світлодільники), вони неймовірно «тендітні». У фотонних системах помилки часто виникають через «невраховані фотони» — частинок, які не можуть правильно взаємодіяти з іншими і, по суті, дрейфують системою у вигляді марного шуму.
Проблема: помилки ще до початку обчислень
У більшості квантових систем виправлення помилок відбувається після того, як помилка вже допущена. Це створює проблеми для систем на основі світла, оскільки помилки часто виникають ще до того, як фотон буде оброблений як кубит.
Як пояснює Йелмер Ренема, головний вчений QuiX Quantum, фотонні обчислення за своєю природою є імовірнісними. Коли дослідники маніпулюють світлом, вони по суті керують ймовірностями. Без способу фільтрації «поганих» фотонів, ймовірність успішного обчислення падає з кожним новим компонентом, доданим до системи. При традиційному масштабуванні додавання нових кубитів часто породжує більше помилок, ніж вирішує, створюючи математичний бар’єр, який заважає комп’ютерам ставати більшими або ефективнішими.
Рішення: дистиляція фотонів
Прорив, описаний у недавньому дослідженні, пов’язаний із процесом, званим квантовою фотонною дистиляцією. Замість того, щоб намагатися виправити помилковий розрахунок, цей метод працює як високотехнологічний фільтр.
Як це працює:
- Квантова інтерференція: Система використовує спеціалізовані оптичні ланцюги для використання ефекту “квантової інтерференції” – явища, при якому ймовірності різних квантових станів об’єднуються.
Фільтрація «неврахованих» фотонів: Схема спроектована таким чином, що ймовірність того, що «неправильний» фотон потрапить на вихід, значно нижча, ніж ймовірність проходження «хорошого» фотона. - Позитивне масштабування: Цей процес дозволяє отримувати високоякісні фотони *до того, як вони будуть використані для обчислень.
Найважливішим висновком є те, що ця техніка дозволяє досягти «зниження рівня помилок нижче порога». Це означає, що в міру масштабування та ускладнення системи процес дистиляції знижує рівень помилок ефективніше, ніж нові компоненти його збільшують.
Чому це важливо для майбутнього
Хоча такі компанії, як Google, вже досягали подібних «порогових» показників за допомогою надпровідникових процесорів, це перший випадок, коли подібне досягнення було реалізовано в системі на основі світла.
Наслідки цього є колосальними: якщо дослідники зможуть підтримувати високу якість кубитів без величезних «накладних витрат» (необхідної колосальної кількості додаткового обладнання для виправлення помилок), вартість та складність створення універсального квантового комп’ютера значно знизяться. Це переводить фотонні обчислення з розряду теоретичної можливості в площину життєздатної технології, що масштабується, здатної перевершити найпотужніші сучасні суперкомп’ютери.
Цей прорив доводить, що ми можемо подолати «імовірнісну» природу світла та створити передбачувану, масштабовану архітектуру для обчислювальних систем наступного покоління.
Висновок
Фільтруючи помилки в самому джерелі за допомогою дистиляції фотонів, вчені намітили шлях масштабування квантових комп’ютерів на основі світла. Це досягнення дозволяє припустити, що високопродуктивні квантові обчислення при кімнатній температурі можуть бути набагато ближчими до реальності, ніж вважалося раніше.
