Кубит — сам себе ремонтник: квантовая сеть знает, когда ошиблась… и может это исправить

Учёные из Университета Цинхуа, Национальной лаборатории Хэфэя и Пекинской академии квантовой информации разработали принципиально новый подход к созданию надёжных квантовых сетей. В журнале Nature Physics они рассказали, как заставили сетевой узел самостоятельно находить и устранять ошибки при передаче данных.

Квантовые технологии обещают совершить революцию в мире вычислений. В отличие от обычных компьютеров, оперирующих битами информации — нулями и единицами, такие системы используют квантовые биты, или кубиты. Главное преимущество кубитов - в их уникальных свойствах, которые подчиняются законам квантовой механики.

Первое такое свойство — суперпозиция — позволяет кубиту находиться одновременно в состоянии и нуля, и единицы, пока не произведено измерение. Представьте монету, которая при подбрасывании не просто вращается, а действительно пребывает одновременно и в положении орла, и в положении решки. Только при "измерении" — когда монета падает на стол — она принимает определённое состояние.

Второе важнейшее свойство — квантовая запутанность — связывает два или более кубита так, что состояние каждого из них нельзя описать отдельно от остальных. Когда кубиты запутаны, изменение состояния одного мгновенно влияет на состояние другого, даже если они разделены большим расстоянием.

На основе этих явлений учёные создают квантовые сети — системы связанных между собой узлов, способных передавать и обрабатывать квантовую информацию. Такие сети смогут не только обеспечить абсолютно защищённую от взлома связь, но и объединить квантовые компьютеры в единую систему, многократно увеличив их вычислительную мощность.

Однако здесь есть одна очень серьёзная проблема: квантовые состояния чрезвычайно хрупки. Любое внешнее воздействие — будь то тепловые колебания, электромагнитные поля или попытка измерения — может нарушить квантовые свойства системы и привести к ошибкам в передаче информации.

В обычных компьютерах с ошибками справляться просто. Когда бит "переворачивается" из 0 в 1 или наоборот, машина сравнивает значение с несколькими резервными копиями и восстанавливает верные данные. С квантовыми состояниями всё гораздо сложнее: фундаментальные законы природы запрещают их копировать. А любые измерения мгновенно разрушают уникальные квантовые свойства — словно карточный домик рассыпается от малейшего прикосновения.

Китайские физики нашли нестандартное решение, взяв за основу особые дефекты кристаллической структуры алмаза — места, где атом углерода замещён атомом азота, а соседняя позиция остаётся незаполненной. Нарушения регулярной структуры кристалла, называемые азотно-вакансионными центрами, обладают уникальными свойствами.

За десять лет исследований учёные научились управлять различными характеристиками этих центров. Работу трёх разных носителей квантовой информации: спинов электронов, атомных ядер и фотонов, наконец удалось скоординировать. Спины, напоминающие крошечные магнитные стрелки, выполняют разные функции: электронные занимаются вычислениями, ядерные хранят данные, а фотонные обеспечивают передачу информации между частями схемы.

Объединение всех предыдущих наработок позволило создать единый узел квантовой сети, способный самостоятельно находить и исправлять ошибки. Когда происходит "переворот" бита, устройство обнаруживает изменение и устраняет сбой, не разрушая при этом тонкую квантовую природу хранимой информации.

В ближайшем будущем команда планирует расширить возможности системы. Они хотят добавить больше кубитов, чтобы научиться исправлять не только перевороты битов, но и фазовые ошибки — ещё один тип квантовых искажений. Также ведется работа над повышением точности измерений.

В перспективе технология найдёт применение во многих областях. Квантовые сети обеспечат невзламываемую связь: любая попытка перехватить передаваемую информацию неизбежно разрушит квантовые состояния и будет обнаружена. Высокоточные квантовые датчики позволят создать новые навигационные программы. А объединённые в кластер квантовые компьютеры смогут моделировать сложные молекулярные и химические процессы, что ускорит разработку новых материалов и лекарств.