Учёные из Университета Сиднея совершили значительный прорыв в области квантовых вычислений, создав уникальную методику реализации универсальных логических операций для квантовых кодов Готтесмана–Китоева–Прескилла (GKP), которые считаются одними из наиболее перспективных для построения масштабируемых квантовых компьютеров. Впервые удалось полностью выполнить набор базовых логических ворот, используя лишь одного иона в ионной ловушке, при этом избегая использования множества вспомогательных кубитов. Это во многом упрощает архитектуру квантовых устройств и открывает новые перспективы для развития компактных и практических платформ для квантовых вычислений.
Эксперимент был основан на использовании колебаний одного иона итттербия, находящегося в ионной ловушке при комнатной температуре. Обычно в классических схемах для квантовых вычислений необходимы множество отдельных атомов или ионов, каждый из которых кодирует один кубит. В необычной парадигме, предложенной исследователями, оба логических кубита были записаны не в отдельных частицах, а в двух колебательных режимах одного иона, направленных по осям x и y. Частоты этих колебаний составляли примерно 1,3 и 1,5 мегагерца, что позволяет с высокой точностью управлять состояниями и проводить необходимые операции, экономя при этом чрезвычайно ценные физические ресурсы. Такой подход позволяет выполнять функции полноценного логического кубита с помощью одного квантового осциллятора, что существенно сокращает масштаб аппаратуры: в классических схемах кодирования и исправления ошибок требуется целая группа физических кубитов для каждого логического.
В управлении вычислительными операциями использовались лазерные импульсы со длиной волны 355 нанометров. Модулируя фазы этих импульсов, экспериментаторы смогли точно воздействовать на квантовое состояние и выполнять все необходимые логические операции без искажения информации. Разработанная схема успешно реализовала основные однокубитные операции, такие как базовые вращения и операцию T, которая является важной для полной универсальности вычислений. Время подготовки состояний составляло около 700–800 микросекунд, а сама реализация логических ворот — примерно 200–340 микросекунд с высокой точностью выполнения, достигающей 94-96%, что было подтверждено методом квантовой томографии.
Одной из ключевых целей эксперимента стала реализация двухкубитной логики, в частности операции CZ (управляемого поворота). Она была выполнена в три этапа за 993 микросекунды, с точностью около 73%. Основной причиной отклонений от идеала стали случайные изменения частот колебаний и упрощённые режимы измерений, выбраные для повышения скорости эксперимента. Однако даже при этом результат демонстрирует возможность выполнения важнейших двухкубитных ворот на платформе внутри одного иона.
Особое внимание уделялось созданию состояния Белла — сверхзапутанного ресурса, чрезвычайно важного для квантовой коммуникации и вычислений. Его удалось получить за один шаг из вакуума за 1,86 миллисекунды с точностью 83%. Также было продемонстрировано создание таких состояний с помощью более оптимизированных протоколов, что значительно повышает эффективность и снижает сложность подхода.
Для обеспечения высокой устойчивости квантовых систем использовался специальный «якорный» кубит — спиновое состояние иона, обладающее очень высокой когерентностью. Время когерентности при этом достигало 8,7 секунд, а сохранение состояния в рамках колебательного режима составляло около 50 миллисекунд. Такие показатели свидетельствуют о высокой стабильности системы, что крайне важно для выполнения длительных и сложных вычислений. Кроме того, уровень нагрева иона был чрезвычайно низким — всего 0,2 кванта в секунду, что способствует повышению точности и надежности измерений.
Особенностью методики стало минимальное искажение формы реальных GKP-состояний при реализации логических импульсов. Теоретические модели предполагают идеальные состояния с бесконечной энергией, однако в практике такие состояния недостижимы и требуют коррекции ошибок. В данном эксперименте оптимизация операций позволила сократить такие нежелательные отклонения, уменьшая вероятность ошибок и повышая общее качество вычислений. Авторы подробно проанализировали источники ошибок, основными из которых остались стабильность ионной ловушки и тепловой шум в начале эксперимента, что подчеркивает необходимость дальнейшей аппаратной доработки: увеличение взаимодействия лазера с ионом, стабилизация ловушки и продление времени когерентности.
Перспективы развития этой технологии весьма многообещающие. В будущем планируется увеличить число кодируемых кубитов, а также усовершенствовать протоколы коррекции ошибок для повышения точности и стабильности. Эти достижения закладывают основу для создания масштабируемых квантовых процессоров, соединяющих преимущества дискретных и непрерывных переменных. Такой гибридный подход позволит строить более устойчивые, простые и эффективные квантовые вычислительные системы, способные решить задачи, которые не под силу классическим машинам.
Важным аспектом является универсальность метода, который легко интегрируется в разные архитектуры квантовых компьютеров. Возможность реализовать полный набор логических ворот для GKP-кубитов всего на одном ионе подтверждает перспективность этого подхода. Он открывает путь к созданию более компактных и лаконичных систем, существенно уменьшая требования к аппаратуре и ресурсам. Ключевым преимуществом является использование одного осциллятора, а не множества частиц, что облегчает масштабирование и повышает эффективность.
Итоги работы представляют собой значительный шаг к практическому воплощению масштабируемых квантовых вычислений. Эти результаты становятся фундаментом для дальнейшего развития технологий, включая создание более устойчивых, гибридных и интегрированных платформ, способных выполнить сложные вычислительные задачи, недостижимые для классических систем. В перспективе такие достижения смогут привести к появлению новых квантовых реакторов, обеспечивающих высокую точность и масштабируемость, что при нынешней ускоряющейся тематике исследований делает этот подход крайне актуальным и многообещающим.
