Програмісти з Microsoft заявили, що їм вдалось розробити новий спосіб виправлення помилок у квантових обчисленнях за допомогою інноваційного 4D-кодування.

Розроблені у Microsoft нові коди покликані вирішити проблему численних помилок під час квантових обчислень. Класичні обчислення для виправлення помилок використовують резервні копії кожного біта відправленої інформації. У разі пошкодження одного чи кількох бітів, резервні - продовжують зберігати інформацію, запобігаючи остаточній втраті.

Однак кубіти не можливо ні скопіювати, ні виміряти. Це значно ускладнює виявлення та виправлення помилок. Зазвичай квантова корекція помилок включає додавання додаткових «фізичних» кубітів у систему. Ці кубити заплутані з «логічними» кубитами, які мають квантову інформацію. Вчені можуть перевіряти наявність помилок, вимірюючи заплутані фізичні кубіти. Це дозволяє процесу обчислень продовжуватися.

Вчені зазвичай використовують 4D-коди в процесі квантової корекції помилок, відтворюючи топологію поверхонь квантової обробки на чотиривимірній гратці. Однак більшість сучасних методів виправлення помилок у квантових обчисленнях або дуже важко масштабувати, або ж для цього необхідна велика кількість ресурсів. Чим більше фізичних кубітів потрібно для забезпечення безвідмовної роботи квантової системи і чим більше потрібно підходів до виправлення помилок, тим більше енергії необхідно для обчислень.

«Нові чотиривимірні геометричні коди Microsoft вимагають дуже мало фізичних кубітів на логічний кубит, можуть перевіряти наявність помилок за один підхід та демонструють зниження частоти помилок у 1 тис. разів», - заявляє технічний спеціаліст з передових квантових розробок у Microsoft Quantum Кріста Своре.

Дослідження було зосереджене на зміні торообразного 4D-геометричного коду, що використовується для виправлення помилок у деяких квантових обчислювальних системах. Новий 4D-код поєднує простір, у якому працюють коди корекції, з операційним простором, у якому знаходяться кубіти з інформацією, шляхом заплутування.

Новий код працює у чотирьох вимірах, використовуючи математичний вираз, що дозволяє точкам заплутування створювати зв'язки на поверхні «тора». Попри те, що 4D-коди вже раніше використовувались для створення квантової пам'яті, що самокорегується, у даному випадку їхнє використання слід вважати інноваційним, оскільки дослідники обчислили геометричний «поворот», що дозволяє тому ж самому обсягу коду покривати той самий обсяг системного простору з використанням меншої кількості додаткових «фізичних» кубітів.

Накладення 4D-коду створює більший репрезентативний простір, який відображає більшу частину квантового стану фактично використовуваних кубітів. Це дозволяє дослідникам виявляти помилки в коді, не порушуючи фактичних квантових процесів, що відбуваються в системі. Дослідники перевірили цей код на працюючих квантових комп'ютерах і експерементально підтвердили висновки власних наукових досліджень.

«Універсальні відмовостійкі квантові комп'ютери можуть бути реалізовані з використанням 4D геометричних кодів, які розроблені для забезпечення ефективної реалізації все більшої кількості логічних кубитів з невеликим числом фізичних кубитів, забезпечуючи при цьому низькоглибинні логічні цикли та універсальну відмовостійкість», - стверджують дослідники з Microsoft.

Окрім цього розробники продемонстрували іноваційну технологію заміни атомів, що використовуються у якості кубітів, у випадку якщо вони були втрачені. У деяких квантових обчислювальних системах кубіти створюються шляхом захоплення нейтральних атомів лазерним пінцетом та їх утримання на місці. Під час обчислень ці атоми можуть бути втрачені або скинуті.

Науковці з Microsoft стверджують, що їм вдалось замінити втрачені атоми всередині циклу, використовуючи атомний промінь, що вводить нові атоми в систему, не порушуючи обчислень. На підставі отриманих результатів нове сімейство 4D-кодів може являти собою другий прорив у квантовій корекції помилок за останні кілька тижнів. 10 червня IBM зробила аналогічну заяву, оголосивши, що розробила методи квантової корекції помилок, які призведуть до розробки наочно корисного квантового комп'ютера до 2029 року.