Исследователи из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (APL) в Лореле, штат Мэриленд, и Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе совершили прорыв в описании квантового шума в квантовых системах — ключевой шаг к надёжному управлению ошибками в квантовых вычислениях.
Их выводы, [опубликованные](https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/t78h-c9s3) в журнале Physical Review Letters, вносят важный вклад в преодоление давнего препятствия на пути разработки полезных квантовых компьютеров.
Шум в квантовых системах
Шум в квантовых системах может возникать из традиционных источников, таких как перепады температуры, вибрация и электрические помехи, а также из-за активности на атомном уровне, например, спин и магнитные поля, связанные с квантовой обработкой.
Оценка влияния шума
Оценка влияния шума на квантовые алгоритмы — первый шаг к смягчению этих эффектов, — говорит Грегори Кироц, старший физик APL и доцент кафедры физики и астрономии в Школе искусств и наук Кригера Университета Джонса Хопкинса.
«Сегодняшние модели обычно слишком упрощены, чтобы описать, как квантовый шум влияет на вычисления на реальном оборудовании», — сказал Кироц. «Наша работа пытается преодолеть этот разрыв».
Многие упрощённые модели могут фиксировать только отдельные случаи шума, изолированные во времени и пространстве в квантовом процессоре. Но наиболее значимые источники шума распространяются во времени и пространстве, — пояснил Кироц.
«Учёт влияния шума на систему с течением времени и в нескольких локациях действительно важен для успешной реализации квантовых кодов коррекции ошибок с отказоустойчивостью», — сказал он. «Это проблема, которую мы должны решить для того, чтобы крупномасштабные квантовые компьютеры работали».
Симметрия в квантовых системах
Квантовая система становится экспоненциально сложнее по мере масштабирования, что затрудняет понимание распространения шума в системе. Чтобы преодолеть это препятствие, Кироц и соавтор Уильям Уоткинс, аспирант физического факультета Университета Джонса Хопкинса, использовали свойство физики, которое помогает упростить сложные задачи: симметрию.
«Симметрия обеспечивает структуру, которая позволяет нам упростить задачу, используя математические конструкции, которые делают её более управляемой в присутствии шума», — сказал Кироц.
Уоткинс понял, что может применить математическую технику, называемую разложением корневого пространства, метод, который организует действия в квантовой системе, чтобы радикально упростить представление и анализ системы. Этот метод использовался для достижения прогресса в других областях квантовой механики, но, насколько им известно, никто не применял его для описания квантового шума ранее.
«Это дало нам представление о проблеме в математически компактной и красивой форме и дало нам язык для описания проблемы», — сказал Уоткинс. «В каком-то смысле можно сказать, что наша инновационная структура построена на этом математическом фундаменте».
Проще говоря, применение этой техники позволяет представить квантовую систему в виде лестницы, где каждая ступенька служит дискретным состоянием системы. Кироц и Уоткинс могли затем применить шум к системе, чтобы увидеть, вызывает ли определённый тип шума переход системы с одной ступеньки на другую.
«Это позволяет нам классифицировать шум на две разные категории, что подсказывает нам, как его смягчить», — объяснил Уоткинс. «Если это заставляет систему перемещаться с одной ступеньки на другую, мы применяем одну технику; если нет — другую».
Это, в свою очередь, будет способствовать созданию отказоустойчивых квантовых систем, — сказал Кироц.
«Возможность охарактеризовать влияние шума на квантовые системы помогает нам не только проектировать более совершенные системы на физическом уровне, но и разрабатывать алгоритмы и программное обеспечение, учитывающее квантовый шум», — сказал он.
Кироц отметил, что APL обладает опытом в решении всего спектра задач, связанных с квантовыми вычислениями — экспериментальной физикой, квантовыми алгоритмами, управлением квантовыми битами и квантовой коррекцией ошибок — и рассмотрение этих исследовательских областей с точки зрения шума стало основным движущим фактором в работе Лаборатории.
«Шум — это фундаментально сложная проблема, стоящая на пути создания крупномасштабных квантовых процессоров», — сказал он. «И APL обладает опытом и изобретательностью, чтобы решить её».
Кевин Шульц, помощник руководителя программы по альтернативным парадигмам вычислений в области исследовательских и поисковых разработок APL, добавил: «Наш широкий спектр исследований квантового шума включает изучение фундаментальных источников шума, таких как космические лучи, и разработку новых протоколов описания и смягчения шума».
«Мы очень воодушевлены этим конкретным исследованием из-за понимания, которое оно даёт о влиянии шума на квантовые алгоритмы и коррекцию ошибок, и мы планируем продолжить потенциальные исследовательские направления, которые оно предлагает в будущем».
Предоставлено [Лабораторией прикладной физики Джонса Хопкинса](https://phys.org/partners/johns-hopkins-applied-physics-laboratory/)