Квантовые компьютеры на пути к безошибочности: как два кода лучше, чем один?

Ошибки – неизбежный спутник любых вычислений, и квантовые компьютеры не исключение. Для классических компьютеров существуют проверенные методы борьбы с искажением данных, например, резервное копирование. Однако, в квантовом мире, где действуют иные законы, эти методы неприменимы напрямую. Главная преграда – теорема о запрете клонирования, фундаментальный принцип квантовой механики, гласящий, что неизвестное квантовое состояние невозможно скопировать. Это означает, что привычный способ обнаружения ошибок путем сравнения копий для квантовых компьютеров недоступен.
Квантовые компьютеры на пути к безошибочности: как два кода лучше, чем один?
Изображение носит иллюстративный характер

Несмотря на это, квантовая физика, вдохновленная классической информатикой, предлагает свой путь к решению проблемы. Он заключается в распределении квантовой информации между несколькими запутанными квантовыми битами, или кубитами. Информация, таким образом, хранится избыточно, что позволяет выявлять и исправлять ошибки. Этот подход реализуется с помощью так называемых кодов квантовой коррекции ошибок.

Еще в 2022 году исследовательская группа под руководством профессора Томаса Монца из Института экспериментальной физики Университета Инсбрука и профессора Маркуса Мюллера из Института квантовой информации Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена и Института имени Петера Грюнберга Исследовательского центра Юлих, продемонстрировала универсальный набор операций над отказоустойчивыми кубитами. Ученые показали, как программировать алгоритм на квантовом компьютере с эффективной коррекцией ошибок.

Тем не менее, использование только одного кода квантовой коррекции ошибок не лишено сложностей. Разные коды обладают разными характеристиками и трудностями в реализации. Существует теорема, утверждающая, что ни один отдельно взятый код не может одновременно легко реализовывать все необходимые квантовые логические операции для произвольно программируемых вычислений и при этом быть полностью защищенным от ошибок. Иными словами, реализация всех ключевых квантовых вентилей становится крайне затруднительной, если опираться лишь на один метод коррекции.

Чтобы обойти ограничения, связанные с использованием единственного кода, исследовательская группа Маркуса Мюллера разработала новаторский метод. Суть его заключается в том, чтобы квантовый компьютер мог переключаться между двумя различными кодами коррекции ошибок, причем делать это отказоустойчивым образом.

Преимущество такого переключения очевидно. Когда возникает необходимость в выполнении логической операции, которая сложно реализуется в рамках первого кода, квантовый компьютер может временно перейти ко второму коду, где эта операция выполняется более эффективно. Такая гибкость в выборе кодов существенно упрощает реализацию всего необходимого набора квантовых вентилей, открывая путь к созданию универсальных квантовых компьютеров.

Фридерике Бутт, докторант из исследовательской группы Маркуса Мюллера, разработала квантовые схемы для экспериментальной проверки этого метода. В тесном сотрудничестве с группой Томаса Монца в Инсбруке Фридерике Бутт реализовала эти схемы на практике. Иван Погорелов, аспирант из Инсбрукской исследовательской группы, подчеркивает значимость достижения: впервые реализован универсальный набор квантовых вентилей с использованием двух комбинированных кодов коррекции ошибок на ионном квантовом компьютере. Томас Монц отмечает, что плодотворное сотрудничество с командой Маркуса Мюллера началось еще во времена его обучения в докторантуре в Университете Инсбрука.

Результаты этого прорывного исследования были опубликованы в журнале Nature Physics в 2025 году. Статья под названием "Experimental fault-tolerant code switching" (Экспериментальное отказоустойчивое переключение кодов), опубликованная в Nature Physics (2025), доступна по DOI: 10.1038/s41567-024-02727-2, а также в виде препринта на arXiv под DOI: 10.48550/arxiv.2403.13732. Эти результаты, представленные Университетом Инсбрука и цитируемые 24 января 2025 года, описывают значительный шаг вперед на пути к созданию надежных и мощных квантовых компьютеров.


Новое на сайте

19521Банковский троян VENON на Rust атакует Бразилию с помощью девяти техник обхода защиты 19520Бонобо агрессивны не меньше шимпанзе, но всё решают самки 19519Почему 600-килограммовый зонд NASA падает на Землю из-за солнечной активности? 19518«Липовый календарь»: как расписание превращает работников в расходный материал 19517Вредоносные Rust-пакеты и ИИ-бот крадут секреты разработчиков через CI/CD-пайплайны 19516Как хакеры за 72 часа превратили npm-пакет в ключ от целого облака AWS 19515Как WebDAV-диск и поддельная капча помогают обойти антивирус? 19514Могут ли простые числа скрываться внутри чёрных дыр? 19513Метеорит пробил крышу дома в Германии — откуда взялся огненный шар над Европой? 19512Уязвимости LeakyLooker в Google Looker Studio открывали доступ к чужим базам данных 19511Почему тысячи серверов оказываются открытой дверью для хакеров, хотя могли бы ею не быть? 19510Как исследователи за четыре минуты заставили ИИ-браузер Perplexity Comet попасться на... 19509Может ли женщина без влагалища и шейки матки зачать ребёнка естественным путём? 19508Зачем учёные из Вены создали QR-код, который невозможно увидеть без электронного... 19507Девять уязвимостей CrackArmor позволяют получить root-доступ через модуль безопасности...
Ссылка