Кошачьи кубиты!

Кошачьи кубиты!

Главная проблема квантовых компьютеров — они пока ошибаются быстрее, чем считают. Стандартное решение — очень дофига физических кубитов для того, чтобы поддерживать один логический. Они там корректируют друг друга и основной, и вероятность ошибки снижается. Но чем длиннее алгоритм, тем такая система ненадёжнее, а в квантовом мире есть только начало и результат, без промежуточных состояний. Ошибаться нельзя ни разу. 

Поэтому нужно что-то, что корректирует ошибку лучше. И вот есть кошачьи кубиты. Они очень устойчивы к ошибкам типа переворота бита (когда 0 случайно становится 1, или наоборот). Но зато уязвимы к другому типу ошибок — когда квантовая фаза сбивается. Чем больше фотонов в кошке (вот почему именно кошке, а не коте), тем лучше защита от переворотов, но тем хуже с фазовыми ошибками.

Кошачий кубит — это фотоны в резонаторе (как кошка Шрёдингера в коробке). Логические состояния |0⟩ и |1⟩ кодируются с помощью состояний света, которые содержат много фотонов и сильно отличаются друг от друга. Чаще всего используют когерентные состояния |α⟩ и |-α⟩. Это как две разные волны света в резонаторе. У них одинаковая "сила" (амплитуда, зависящая от среднего числа фотонов), но противоположные фазы (как гребень волны против впадины). Логический |0⟩ кодируется как ≈ |α⟩. Логический |1⟩ кодируется как ≈ |-α⟩. Переворот бита в случае кошачьего кубита означает переход из |α⟩ в |-α⟩. Состояния |α⟩ и |-α⟩ очень разные из-за разнесённых геометрически фотонов. Чтобы одно состояние перешло в другое, нужно сильно изменить состояние системы. Большинство случайных ошибок в квантовых системах — это потеря одного фотона, небольшой случайный сдвиг фазы. Такие мелкие возмущения могут немного "подвинуть" состояние |α⟩, но им очень трудно "перебросить" его через огромное расстояние в фазовом пространстве, чтобы оно стало |-α⟩. Можно условно представить, что вам надо знать цвет мячика и в какой он из двух ям. Так вот, цвет (фаза в нашей аналогии) будет постоянно меняться, но перебросить мячик из ямы в другую яму будет очень тяжело. 

И вот следующий виток человеческой мысли — сделать такую схему, где кошка корректирует только переворот бита, а рядом стоят кубиты, которые следят, чтобы кошка не сбила фазу. Вот статья в Природе про новый чип.

Естественную защиту кошачьих кубитов использовали против ошибок-переворотов. Для борьбы с оставшимися фазовыми ошибками — относительно простой код исправления ошибок. 

Код повторения требует меньше ресурсов, чем те, что нужны для исправления обоих типов ошибок на обычных кубитах.

Запускали процесс исправления ошибок много раз и измеряли, сколько ошибок остается в итоге. Работает! Общий уровень ошибок снизили до ~1.65% за один цикл коррекции для системы из 5 кубитов. Важно, что система масштабируема. 

Это аппаратная эффективность. Можно воплощать в железе. 

Теперь внимательно смотрим на схему и понимаем, что лучше бы вы продолжали деградировать в соцсетях. Синие круги — это кошки. Их 5 штук. Оранжевые круги — вспомогательные кубиты, которые проверяют состояние соседних кошек, не разрушая их информацию. Зелёные круги — буферы. Каждый кошачий кубит подключен к своему буферу. Через этот буфер происходит стабилизация кошачьего кубита (поддержание его в нужном состоянии |α⟩ или |-α⟩), чтобы он самопроизвольно не "перевернулся" (не произошла ошибка бита). Серые ⊗ обозначают операции между читающим кубитом и двумя соседними хранящими информацию кошками. Z-кубит показывает конфликт: если на одной из кошек случится фазовая ошибка (Z-ошибка), то один из соседних оранжевых кубитов это заметит. 

На второй схеме видно, что по 10 циклам:
— Без стабилизации: ошибки накапливаются, состояние кошки сильно искажается.
— Со стабилизацией: состояние остается чистым. 

Там вообще-то ещё много чего, но на сегодня, пожалуй, хватит. По тегу #UDP есть ещё квантовый мир, который ничего непонятно, но очень интересно.

-- 
Вступайте в ряды Фурье! Чтобы не перепутать, бабушка назвала одного новорожденного котёнка Барсиком, а второго утопила.