Исследователи разработали метод непрерывного мониторинга квантовых кубитов без коллапса их волновой функции — одно из наиболее сложных технических ограничений в квантовых вычислениях. Достижение приближает создание квантовых компьютеров, способных самостоятельно диагностировать и исправлять ошибки в процессе работы.
Проблема наблюдения в квантовой механике
Классические компьютеры работают с битами — 0 или 1. Кубит квантового компьютера может находиться в суперпозиции — одновременно и 0, и 1 — до момента измерения. Именно это даёт квантовым вычислениям их мощь. Но есть проблема: любое прямое измерение кубита разрушает суперпозицию, делая кубит бесполезным для дальнейших вычислений¹.
Кубиты также крайне чувствительны к внешним воздействиям — вибрации, электромагнитным полям, тепловому шуму. Эти флуктуации накапливаются и приводят к ошибкам. Исправление ошибок в квантовых системах — огромная нерешённая задача.
Что сделали учёные
Группа применила метод «слабого измерения» (weak measurement) — технику, при которой система взаимодействует с измерительным прибором настолько слабо, что квантовое состояние нарушается минимально, а информация всё же извлекается.
Новизна работы — в том, что этот метод удалось реализовать непрерывно во времени, формируя «квантовую траекторию» кубита. Это позволяет видеть, как именно накапливается ошибка, и своевременно вмешиваться, не разрушая вычисление.
Практическое значение
Квантовая коррекция ошибок — ключевой шаг к созданию «отказоустойчивого квантового компьютера». Сегодня квантовые машины IBM, Google и IonQ работают в режиме «NISQ» (Noisy Intermediate-Scale Quantum) — им нельзя доверять длинные вычисления, потому что ошибки накапливаются быстрее, чем алгоритм успевает завершиться.
Возможность отслеживать кубиты в реальном времени без разрушения состояния — один из необходимых элементов для выхода за пределы NISQ-режима.
Российский контекст
Россия включена в глобальную квантовую гонку. «Росатом» создал первый российский 16-кубитный квантовый компьютер. Сбербанк и МФТИ работают над квантовыми алгоритмами для финансовых задач. Квантовые технологии — одно из приоритетных направлений национальной программы «Экономика данных».
Метод мониторинга флуктуаций кубитов напрямую применим к решению проблемы стабильности, с которой сталкиваются все квантовые компьютеры — включая российские.
---
¹ Источник: New Scientist — https://www.newscientist.com/article/2465291-quantum-computer-breakthrough-tracks-qubit-fluctuations-in-real-time/