Este relativ ușor să stocați mai multe valori cuantice într -o bucată de hardware.
Este posibil să depășiți qubit -urile și să aveți o singură piesă de hardware care poate fi în trei sau mai multe stări cuantice. Credit: Imagini Spawn / Getty
Lumea calculatoarelor este dominată de binar. Tranzistoarele de siliciu sunt fie dirijate, fie nu sunt, așa că am dezvoltat o lume întreagă de matematică și operațiuni logice în jurul acestor capacități binare. Și, în cea mai mare parte, calculul cuantic s -a dezvoltat de -a lungul liniilor similare, folosind qubits care, atunci când sunt măsurate, se vor găsi într -una din cele două state.
În unele cazuri, utilizarea valorilor binare este o caracteristică a obiectului utilizat pentru a ține qubit -ul. De exemplu, o tehnologie numită qubits dual-rail își ia valoarea de la care dintre doi rezonatori legați dețin un foton. Există însă multe alte obiecte cuantice care au acces la mult mai mult de două state – gândiți -vă la ceva ca toate statele energetice posibile pe care un electron le -ar putea ocupa atunci când orbitează un atom. Putem folosi lucruri de genul acesta ca qubits, bazându -ne doar pe cele mai mici două niveluri de energie. Dar nu este nimic care să ne oprească să folosim mai mult de două.
În problema naturii de miercuri, cercetătorii descriu crearea Qudits, termenul generic pentru sistemele care dețin informații cuantice – este scurt pentru cifre cuantice. Folosind un sistem care poate fi în trei sau patru stări posibile (qutrits și, respectiv, ququarts), acestea demonstrează prima corecție de eroare a memoriei cuantice de ordin superior.
Făcând ququarts
Qudits mai complexe nu au fost la fel de populare cu oamenii care dezvoltă hardware cuantic de calcul din mai multe motive; Unul dintre ele este pur și simplu că unele hardware au acces doar la două state posibile. În alte cazuri, diferențele energetice dintre stări suplimentare devin mici și dificil de distins. În cele din urmă, unele operațiuni pot fi dificile de executat atunci când lucrați cu Qudits care pot deține mai multe valori – ar putea fi necesar un model de programare complet diferit decât operațiunile qubit.
Cu toate acestea, există un caz puternic care trebuie făcut că trecerea dincolo de qubits ar putea fi valoroasă: ne permite să facem mult mai mult cu mai puțin hardware. În momentul de față, toate eforturile majore de calcul cuantic sunt constrânse hardware-nu putem construi suficiente qubits și le-am legat de corectarea erorilor pentru a ne permite să facem calcule utile. Dar, dacă am putea încadra mai multe informații în mai puțin hardware, ar trebui, în teorie, să trecem mai devreme la calcule utile.
„În teorie” provine din faptul că am avea nevoie de hardware pentru a păstra o rată de eroare scăzută, chiar dacă stochează mai multe informații. În noua demonstrație, cercetătorii arată că, pentru cel puțin un tip de hardware, această condiție nu pare a fi valabilă: cu cât stocăm mai multe date, apar erori mai rapide. Dar reușesc să strângă o parte din asta, demonstrând prima utilizare a corectării erorilor pe Qudits Complex.
Dispozitivul pe care îl folosesc se bazează pe un transmon standard, un qubit care are un fir superconductor legat de un rezonator cu microunde. Cu toate acestea, transmonul în sine este legat de o cavitate suplimentară cu microunde. Cu suficienți fotoni, cavitatea poate acționa ca un oscilator, cu fotoni care se strecoară înainte și înapoi și creând modele de interferență. Și este posibil ca oscilațiile să aibă mai multe moduri. (Un mod poate fi gândit ca un set unic de vârfuri și văi în modelul de interferență.) Având în vedere că interferența este un comportament cuantic, este posibil să plasați sistemul într -o superpoziție între diferite moduri și, prin urmare, să utilizați diferitele moduri pentru a stoca informații cuantice.
Pentru a adăuga moduri la cavitatea rezonatorului, trebuie să introduceți mai mulți fotoni în ea. Acest lucru creează mai multe vârfuri în modelul de interferență și le împachetează mai strâns. Dar, de asemenea, crește rata pierderii de foton și, prin urmare, probabilitatea ca sistemul să experimenteze o eroare. Pentru experimentele de aici, cercetătorii au pus cavitatea în statele în care a găzduit Qutrits sau Ququarts și i -au folosit pentru a experimenta cu corectarea erorilor în încercarea de a reduce această rată de eroare.
Un qubit, Qutrit și Ququart au intrat într -un bar …
Cheia acestei lucrări este transmonul conectat la cavitate. În mod normal, transmonul este utilizat pentru a controla starea cavității și pentru a -și citi valoarea atunci când este nevoie. Dar, de asemenea, este posibil să -l utilizați pentru a efectua măsurători slabe care nu distrug starea Quditului în cavitate. Acestea nu vă spun starea exactă a rezonatorului în cavitate, dar vă pot ajuta să vă dați seama dacă acea stare s -a schimbat, ceea ce înseamnă că a apărut o eroare. Prin efectuarea unei serii de astfel de măsurători, este posibil să se stabilească nu numai natura acelei erori, ci și ce acțiuni trebuie luate pentru a o corecta.
În loc să încerce să -și dea seama cum să controleze Qudit -ul pe baza considerentelor teoretice, cercetătorii și -au rupt sistemul de control într -o serie de proprietăți variabile și apoi au folosit învățarea de consolidare pentru a optimiza toate aceste variabile. Scopul acestei optimizări a fost de a stabiliza pur și simplu starea Quditului, împiedicându -l să fie pierdut. Vă puteți gândi la acest lucru ca să -l determinați să acționeze ca ceva asemănător cu memoria (calculele reale vor necesita ca acesta să -și păstreze starea prin operațiuni complexe.)
Pentru experimente, cercetătorii au operat cavitatea ca qubit, Qutrit și Ququart. Și -au măsurat longevitatea în fiecare dintre aceste state, atât cu cât și fără corectarea erorilor.
Rezultatele au fost destul de clare. Fiecare intensificare scara informațională, de la două la trei la patru state, a scurtat durata de viață a memoriei cuantice. Dar pornirea corectării erorilor a restabilit o parte din performanță. De exemplu, o eroare a corectat Qutrit și -a menținut starea aproximativ atât timp cât un qubit necorectat. Un Ququart corectat cu erori a avut de fapt mai bine decât un Qutrit necorectat.
Pentru fiecare dintre cele trei cazuri, activarea corectării erorilor a sporit durata de viață cu un factor de aproximativ 1,8.
Este important să recunoaștem că aceasta este în întregime o dovadă a principiului, care are loc într -un singur hardware care nu este nici măcar legat de Qudits suplimentare sau utilizat pentru calcule. Dar, având în vedere că corectarea erorilor a fost deja s -a demonstrat că va îmbunătăți performanța Pe qubits, este o dovadă destul de critică. Obținerea acestui lucru la lucru nu rezolvă, de asemenea, problema complexității relative a efectuării calculelor pe Qudits care pot deține mai multe valori.
Cu toate acestea, având în vedere o lume în care suntem constrânși de o combinație de număr de qubit și rate de eroare, un sistem care ar trebui să poată rezolva parțial una dintre aceste două probleme merită cu siguranță explorat.
Natura, 2025. Doi: 10.1038/s41586-025-088999-y (Despre Dois)
John este editorul științific al ARS Technica. Are un licențiat în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când se desparte fizic de tastatura sa, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru comunicarea cu cizmele sale de drumeție.
Comentarii recente