Ученые из США и Австралии разработали новый алгоритм коррекции, который потенциально способен обнаружить практически все ошибки, возникающие в процессе квантовых вычислений, преодолев таким образом «барьер квадратного корня», говорится в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета.

Квантовые компьютеры построены на основе так называемых кубитов – квантовых битов, значение которых кодируется в свойствах квантовых объектов, например, в спине электрона. Если в классических битах может кодироваться одно из двух значений – 0 или 1, то кубиты могут находиться в состоянии суперпозиции этих двух состояний, при измерении кубита состояние суперпозиции коллапсирует, и он принимают определенное значение. Квантовые вычислительные устройства, как полагают ученые позволят решать некоторые типы задач значительно быстрее самых мощных «классических» компьютеров.

Работа с квантовыми вычислителями требует постоянной коррекции ошибок, поскольку параметры состояния квантовых бит очень уязвимы к внешним шумам. Но здесь возникает новая проблема: чтобы найти ошибку, нужны измерять состояние кубита, а измерения приводят к разрушению состояния суперпозиции. В 1990-е годы ученые считали, что коррекция квантовых ошибок в принципе невозможна.

Первый метод коррекции ошибок в квантовых битах был изобретен в 1994 году Питером Шором. Его идея основывалась на том, что можно узнать отношения между кубитами, не меряя значения, которые они хранят. Алгоритм коррекции мог бы, например, записать данные с одного кубита на три других физических кубита. Поскольку можно определить, одинаковы ли значения первого и второго кубита, а также второго и третьего, из этого можно было понять, есть ли ошибка при записи, и повторить процесс в случае несоответствия. В реальной системе это требует последовательных сравнений большого числа кубитов между собой и приводит к значительному усложнению процесса.

Существующие алгоритмы коррекции могли исправить не все, а только часть ошибок, причем их число зависело от количества кубитов. Самые прогрессивные методы могли скорректировать количество сбоев, которое грубо соответствовало квадратному корню от числа кубитов. Так, например, они могли скорректировать 8 ошибок в 64-кубитном компьютере, но не 10.

Теперь Арам Хэрроу из Центре теоретической физики Массачусетского университета и его коллеги из компании Google, Сиднейского и Корнеллского университетов представили новый метод, который позволяет обойти «барьер квадратного корня».

Они предложили дублировать массив кубитов для каждого этапа вычислений, при этом намеренно модифицируя один из кубитов, создавая «искусственную ошибку». Затем они отслеживали, как меняется состояние кубитов: протокол основан на том, что ошибки распространяются по кубитам определенным закономерным путем.

Измерения, сделанные по финальным состояниям кубитов, гарантировано показывают отношения между кубитами, не раскрывая их значения, но позволяют обнаружить присутствие ошибок.