3000-кубитный квантовый компьютер впервые заработал в непрерывном режиме. Как это получилось?

Квантовые компьютеры легко выходят из строя. Это их основное свойство и главное препятствие для создания мощных вычислительных устройств. Их элементы, кубиты, теряются из-за внешних помех или ошибок в операциях. Поэтому сейчас системы работают циклами: выполняют короткие вычисления, останавливаются и перезапускаются.

Такой метод мешает решать большие задачи. Для отказоустойчивых вычислений нужны миллиарды операций подряд, что невозможно при постоянных перезапусках. Но возможно ли заменять потерянные кубиты без остановки вычислений?

Именно такую систему показала группа ученых из Гарвардского университета. Она содержит более 3000 кубитов и работает дольше двух часов.

Причина потерь: почему исчезают кубиты?

Для понимания важности этой работы нужно знать о главной проблеме. В этой системе кубиты — это атомы. Их удерживают лазеры, которые называют «оптическими пинцетами».

Атом-кубит легко теряется. Причины потерь: столкновения с другими частицами, ошибки лазерных импульсов или короткое время удержания в ловушке.

Когда это случается, в массиве кубитов появляется пустое место. Вычисления останавливаются. Старый метод — остановить процесс и создать массив заново. Это медленно. Как можно избежать этого?

Архитектура для непрерывной работы: три зоны

Предложенный метод делит рабочее место на три отдельные зоны, которые действуют одновременно.

1. Резервуар. Это источник атомов рубидия. Их доставляет система из лазерных лучей, похожая на конвейер.
2. Зона подготовки. Из источника атомы перемещаются в зону подготовки. Там их охлаждают, сортируют по одному, выстраивают в ровный массив и готовят к работе в качестве кубитов. Скорость подготовки — до 30 000 кубитов в секунду.
3. Зона хранения. Подготовленные кубиты перемещаются в зону хранения для вычислений. Это основной массив на 3240 мест.

Такое разделение изолирует «шумные» процессы подготовки от зоны вычислений.

Главная трудность: как сохранить квантовую информацию?

Основная трудность — сохранить когерентность. Это свойство кубита быть одновременно и нулем, и единицей. Внешний шум, например, свет, разрушает это состояние.

Зона подготовки создает много светового шума. Как защитить кубиты в зоне хранения от этого света?

Ученые использовали два способа защиты.

• Пространственная защита. Расположение зон не позволяет свету напрямую попадать из одной в другую.
• Спектральная защита, или экранирование. На кубиты в зоне хранения светят специальным лазером. Он меняет свойства атомов, и они перестают реагировать на посторонний свет.

Тесты подтвердили, что защита эффективно сохраняет когерентность кубитов, даже когда рядом идет активная подготовка новых атомов.

Двухчасовая работа: что это показывает?

Команда выполнила показательный эксперимент. Они заполнили массив из более чем 3000 кубитов. Затем они разделили его на шесть частей и поочередно заменяли самую старую часть на новую, подготовленную.

Процесс шел без остановки более двух часов. Один атом удерживается около минуты. Но система работала намного дольше за счет постоянной замены. Теперь время работы зависит от стабильности оборудования, а не от физических ограничений атомов.

Вся система работает дольше, чем ее части.

Что это дает?

Этот результат, кроме рекорда, позволяет создавать отказоустойчивые квантовые компьютеры. Такая схема нужна для алгоритмов исправления ошибок, которые проверяют кубиты и заменяют сбойные.

Эта технология также будет полезна в других сферах:

• Атомные часы и сенсоры. Отсутствие остановок для перезагрузки увеличит точность измерений.
• Квантовые сети. Квантовым сетям нужен постоянный поток кубитов для быстрой связи.