Исследователи из Амстердамского и Корнелльского университетов выяснили, как избежать шума в квантовых вычислениях на примере бозонных каналов дефазировки. Они установили, что повышение энтропии помогает избежать ошибок в результате. Это крайне важно при создании квантового компьютера. Работа опубликована в Nature Photonics.
Квантовые компьютеры, в отличие от классических, используют принципы квантовой механики. Если в классическом компьютере оперируют битами (способными однозначно принимать значение либо 0, либо 1), то в квантовом — кубитами, которые могут иметь значение 0 и 1 одновременно. Так с помощью квантовых вычислений возможно описывать все возможные состояния системы одновременно. Это существенно сокращает время выполнения различных задач. Однако сейчас есть множество проблем, препятствующих разработке квантового компьютера. Например, физики пытаются оптимизировать квантовые вычисления. Основная задача ученых — минимизировать количество ошибок, к которым приводят внешние шумы. На кубиты постоянно воздействуют шумы, возникающие из-за управления ими, а также шумы, которые создают окружающие квантовые объекты. Это могут быть разнообразные вибрации, электромагнитные поля и тепловые движения молекул. Изолировать кубиты так, чтобы оградить их от воздействия шумов, невозможно, поскольку тогда человек сам не сможет управлять вычислениями.
Чтобы добиться одновременной обработки множества состояний системы, квантовая функция компьютера имеет свою «фазу». Фазу можно рассматривать как положение стрелки часов, которая может указывать в любом направлении на циферблате. В конце своих вычислений компьютер рекомбинирует все фазы, то есть все положения «стрелки часов», в один ответ. Ошибки, возникающие из-за шума, непредсказуемо меняют фазу компьютера и далее изменяют итоговый ответ. Такое внешнее влияние на фазу называется «дефазировка». Примером дефазировки являются оптические волокна, используемые для переноса света. Свет может проходить по ним разными путям,и и невозможно точно узнать путь, по которому прошел световой луч.
В своем новом исследовании ученые рассмотрели особую модель шума — бозонный канал дефазировки. Этот канал применяется для анализа дефазировки в оптическом волокне. Такая модель рассматривает дефазировку одной траектории света с определенной длиной волны. Она изучает шум в квантовых системах и то, как шум влияет на передачу квантовой информации. С помощью модели можно определить, какое количество кубитов можно передать без ошибок в системе, — это называется квантовой емкостью.
Исследователи обнаружили, что на емкость канала напрямую влияет его энтропия. Это значит, что для того, чтобы преодолеть влияние шума, в систему нужно добавить избыточную информацию, тем самым увеличив энтропию. Увеличивая избыточность и уменьшая скорость приема и передачи информации, можно на выходе получить информацию, не поврежденную шумами. Это происходит, поскольку избыток информации создает больше корреляций для ее восстановления. «Как будто вы скажете: "Альфа, Бета, Чарли" вместо "А, B, С" во время телефонного разговора. Хотя передаваемое сообщение длиннее, избыточность позволяет понять его правильно», — рассказали ученые.
Квантовые компьютеры обладают уникальными свойствами и могут значительно ускорить решение сложных задач, которые невозможно решить на классических компьютерах. К примеру, квантовые вычисления окажутся полезны в таких областях, как криптография, молекулярное моделирование, машинное обучение и искусственный интеллект. Новое исследование поможет ученым в количественной оценке влияния шума на квантовые вычисления и приблизит науку к созданию квантового компьютера.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
