Принципы работы квантовых компьютеров
Квантовые компьютеры — это системы, которые обрабатывают информацию, используя квантово-механические эффекты. Их работа основана на применении квантовых логических гейтов. Это операции, которые манипулируют кубитами — единицами информации, способными существовать в суперпозиции состояний и запутываться.
Двухкубитные гейты
Одним из видов квантовых логических гейтов, который позволяет создавать запутанность между кубитами, является так называемый двухкубитный гейт. Существующие схемы генерации таких гейтов вынуждают кубиты работать вне условий или параметров, при которых они могут наилучшим образом хранить информацию и ими легче управлять.
Новая универсальная схема
Исследователи из Пекинской академии квантовых информационных наук (BAQIS) и Университета Цинхуа недавно представили новую универсальную схему для реализации двухкубитных гейтов в сверхпроводящих квантовых процессорах. Эта схема, описанная в статье, опубликованной в Nature Physics, позволяет надёжно создавать запутанность между кубитами в квантовых компьютерах на основе сверхпроводников.
Мотивация исследования
«Первоначальная мотивация нашего исследования довольно проста», — сказал Цзяньсинь Чэнь, соавтор статьи. «В учебниках установлено, что все квантовые операции соответствуют унитарным матрицам; однако исторически CNOT-гейт долгое время считался стандартом де-факто для реализации таких операций».
Квантовые операции и унитарные матрицы
Теории квантовой физики и квантовых вычислений предполагают, что квантовые операции также могут принимать форму сеток, известных как унитарные матрицы. В рамках своего исследования Чэнь и его коллеги поставили перед собой задачу определить типы унитарных матриц, которые могут быть изначально реализованы с высокой точностью, действуя как «квантовые инструкции».
Преимущества новой схемы
«Наша схема имеет несколько важных преимуществ», — объяснил доктор Янь. «Во-первых, она действительно универсальна, а это значит, что одна и та же аппаратная конфигурация и система управления могут реализовать любой желаемый двухкубитный гейт, обеспечивая максимальную гибкость квантовых операций».
«Что ещё более важно, в отличие от традиционных подходов, которые основаны на проблемных переходах |11⟩–|20⟩ (как в стандартных гейтах CZ), наш метод работает исключительно на переходе |01⟩–|10⟩. Это позволяет избежать риска утечки в более высокие энергетические состояния, что было одной из наиболее постоянных проблем для протоколов квантовой коррекции ошибок».
Будущие перспективы
Недавняя работа Чэня и его коллег демонстрирует, что существует индивидуальная схема, которая может реализовать все двухкубитные гейты с высокой точностью. В будущем их подход может способствовать развитию квантовых алгоритмов и сверхпроводящих квантовых компьютеров.