Квантовые компьютеры все еще далеки от повсеместного применения — главным образом из-за ошибок, которые возникают в процессе вычислений. Чтобы создать по-настоящему надежные квантовые системы, ученым нужно уметь проверять их работу на обычных компьютерах. Пока это сложная задача, но теперь исследователи из Швеции, Италии, Испании и Японии сделали важный шаг вперед: они нашли способ моделировать определенные типы квантовых вычислений с коррекцией ошибок.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Квантовые компьютеры могут решать задачи, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам. В перспективе они изменят медицину, энергетику, криптографию и логистику. Но есть проблема: квантовые биты (кубиты) крайне неустойчивы. Малейший шум, вибрация или перепад температуры — и вычисления искажаются. В обычных компьютерах ошибки легко исправляются, а вот в квантовых системах это намного сложнее.

Чтобы проверить точность квантовых расчетов, ученые имитируют их на классических компьютерах. Но моделировать вычисления с коррекцией ошибок раньше было почти невозможно — слишком высокая сложность. Теперь международная команда исследователей предложила метод, который позволяет симулировать работу квантовых компьютеров, использующих так называемые бозонные коды — один из самых перспективных способов защиты от ошибок.

Бозонные коды — способ защитить квантовую информацию, «размазав» ее по разным энергетическим уровням колебательной системы (например, фотонов). Это как записать мелодию не одной нотой, а аккордом — даже если один звук исказится, остальные сохранят общую гармонию.

Мы нашли подход, который раньше не использовался, — объясняет Камерон Калклут, ведущий автор исследования. — Теперь можно моделировать квантовые вычисления с кодом GKP, а это ключ к созданию стабильных квантовых систем.

Бозонные коды хранят информацию в колебательных состояниях квантовых систем, что делает их устойчивее к помехам.

Однако из-за множества энергетических уровней их было почти невозможно точно смоделировать. Новый алгоритм решает эту проблему.

GKP-коды — это мощный инструмент, но их квантовая природа делала симуляцию невероятно сложной, — говорит Джулия Феррини, соавтор работы. — Теперь у нас есть способ проверять расчеты, которые раньше были недоступны для анализа.

Это открытие ускорит разработку надежных квантовых компьютеров, способных справляться с ошибками без потери данных.

Главная ценность работы — в возможности тестировать квантовые алгоритмы до их запуска на реальных устройствах. Это сократит время на разработку и отладку, а значит, ускорит появление первых коммерчески полезных квантовых систем. Например:

• Криптография — можно заранее проверить устойчивость шифрования.
• Фармацевтика — моделирование молекулярных взаимодействий станет точнее.
• Машинное обучение — квантовые нейросети можно будет оптимизировать до внедрения.

Метод пока работает только для GKP-кодов, которые — хоть и перспективны — не единственный вариант коррекции ошибок. Например, топологические квантовые вычисления (как в Microsoft) требуют других подходов. Кроме того, симуляция даже упрощенных моделей требует огромных вычислительных ресурсов — значит, масштабируемость под вопросом.

Ранее ученые упростили создание квантовых компьютеров.