Телепортация против «шума» в квантовых вычислениях

Квантовые вычисления обещают революцию в обработке информации, но сталкиваются с проблемой масштабируемости. Современные квантовые компьютеры работают в условиях NISQ (шумных квантовых устройств среднего масштаба). Такие системы содержат до 1000 кубитов и чувствительны к внешним воздействиям и накоплению ошибок («шум»). Это сильно ограничивает их применение. Чем больше кубитов добавляется в систему, тем выше риск каскадных сбоев. Традиционные методы коррекции ошибок требуют больших ресурсов. Какой выход? Концепция распределенных квантовых систем, предложенная оксфордскими исследователями, предполагает использование небольших процессоров, объединенных в сеть. Это минимизирует «шум» и упрощает управление.

В Оксфорде предложили решение, соединив два квантовых процессора в сеть. В статье, опубликованной в журнале Nature, команда исследователей описала соединение двух квантовых процессоров при помощи оптоволокна и квантовой телепортации. Каждый модуль содержал небольшое количество захваченных ионных кубитов, связанных через оптоволокно для передачи фотонов. Это позволило создать запутанные состояния между удаленными кубитами и выполнять квантовые логические операции посредством квантовой телепортации. Квантовая телепортация возможна благодаря квантовой запутанности,— явлению, когда квантовые состояния нескольких объектов оказываются взаимозависимыми.

Ученым удалось использовать квантовую телепортацию не только для передачи состояний, но и для связи между системами. Так получилось объединить отдельные процессоры в общую вычислительную платформу. Важной частью эксперимента стало применение квантовой телепортации для реализации логических вентилей (переключателей) — базовых элементов квантовых вычислений. Этот метод позволил исключить прямое физическое воздействие кубитов друг на друга для снижения «шума».

Подобные распределенные системы повторяют структуру классических суперкомпьютеров. Такая архитектура упрощает или вообще — делает возможным — масштабирование. Без увеличения числа кубитов в одном модуле можно добавлять в сеть все новые процессоры, сохраняя стабильность всей системы. При этом квантовая природа кубитов позволяет решать сложные задачи с минимальным риском ошибок.