Физики Йельского университета создали «кота, исправляющего ошибки» — новое устройство, использующее концепцию суперпозиции (физическую систему, существующую одновременно в двух состояниях) для исправления ошибок в квантовых вычислениях.

Недавнее исследование команды под руководством Майкла Деворета (Michel Devoret), профессора физики Йельского университета, опубликованное в журнале Nature, стало прорывом в попытках освоения квантовых вычислений: оно позволяет исправить поток ошибок, накапливающихся в квантовых битах информации (или кубитах) во время вычислений.

«Кот-кубит», исправляющий эти ошибки, назван в честь кота Шрёдингера — воображаемого, и живого и мёртвого одновременно. Во время эксперимента учёного этот кот должен был находиться в коробке с ядом, активирующимся с распадом радиоактивного атома. Это могло случиться в любое время, поэтому, не открыв коробку, нельзя было узнать, жив ли кот. Согласно теории суперпозиции, до того, как кто-то откроет коробку и произведёт наблюдение, кот является одновременно и живым, и мёртвым. Открыв коробку, наблюдатель заставляет кота перейти в одно из состояний — стать или живым или мёртвым.

В обычных компьютерах информация кодируется нулями или единицами. Единственной ошибкой, которая возникает, становится случайное изменение значения с 0 на 1 и наоборот. Это исправляется введением «страховочных» битов информации, чтобы удостовериться в правильности значения. Три «физических» бита используются для кодирования одного «эффективного», или точного значения.

Квантовые же компьютеры имеют ещё один тип ошибок: кроме битовых изменений, как в традиционных вычислениях, могут происходить и фазовые изменения, когда кубиты случайно переходят в состояния квантовой суперпозиции (находясь в обоих состояниях одновременно). До этого времени такие ошибки предотвращали введением большего количества «страховок», кодируя один кубит информации множеством физических кубитов. Но «кот-кубит» сам по себе застрахован от фазовых ошибок. Учёные утверждают, что могут произвольно изменять любое состояние суперпозиции такого кубита на любое другое. К тому же, они изобрели новый способ считывания информации, закодированной в таком кубите.

Работают новые «коты-кубиты» в квантовом компьютере, использующем фотоны микроволнового излучения у сверхпроводниковом микроволновом резонаторе. «Это делает наше изобретение новым элементом, который, как мы надеемся, найдёт применение во множестве квантовых вычислений на сверхпроводниках», — утверждает Деворет в интервью  для журнала Йельского университета.

Квантовые компьютеры имеют огромный потенциал, который может использоваться где угодно — от банковских систем до фармацевтики, обеспечивая скорость и мощность вычислений, недоступную современным суперкомпьютерам.

Текст: Дарья Цепкова
Изображение обложки: Катерина Павличенко