Дослідники реалізували універсальний набір логічних вентилів для GKP-кубітів

Вчені з Лабораторії квантового контролю в Інституті нанотехнологій Сіднейського університету вперше продемонстрували новий тип квантових логічних вентилів, який суттєво зменшує кількість фізичних кубітів, необхідних для роботи.

Для цього команда побудувала заплутаний логічний вентиль на основі одного атома, застосувавши код виправлення помилок Готтесмана-Китаєва-Прескілла (GKP). Цей підхід дозволяє перетворювати безперервні квантові коливання у чіткі дискретні стани, що полегшує виявлення та виправлення помилок, а також забезпечує компактне кодування логічних кубітів.

Код GKP дає можливість значно скоротити кількість фізичних кубітів для створення повноцінних логічних кубітів. Проте через складність його реалізація була практично недосяжною.

Нове дослідження вперше втілює це у фізичному експерименті: вчені використали природні коливання захопленого іону ітербію для збереження GKP-кодів і реалізації заплутаних квантових вентилів.

«Наші експерименти вперше продемонстрували універсальний набір логічних вентилів для GKP-кубітів. Ми досягли цього завдяки точному контролю гармонійних коливань одного іону, що дозволило як маніпулювати окремими логічними кубітами, так і створювати між ними заплутаність», — пояснив керівник роботи доктор Тінгрей Тан.

Фактично дослідники заплутали дві «квантові вібрації» одного атома. Захоплений іон може коливатися у трьох вимірах, і кожен рух відповідає окремому квантовому стану. Створивши заплутаність між двома такими станами, їм вдалось реалізувати логічний вентиль на основі лише одного атома — важливий рубіж у розвитку квантових обчислень.

«Нам вдалося зберегти два логічних кубіти з корекцією помилок у межах одного іону та продемонструвати їх заплутаність. Для цього ми використали програмне забезпечення з квантового контролю, розроблене стартапом Q-CTRL, яке допомогло зберегти крихку структуру GKP-кодів під час обробки квантової інформації», — зазначив головний автор дослідження аспірант Василі Матсос. 

У статті описано три експерименти з використанням одного іону ітербію, утриманого у пастці Пауля — спеціальній системі з лазерів, що дозволяє керувати природними вібраціями атома і кодувати складні GKP-структури.

Нагадаємо, у липні німецькі дослідники представили відкритий симулятор для моделювання поведінки світла в квантових системах.