Исследование опубликовано в журнале Nature. Главный принцип этой работы — квантовая телепортация, уникальное свойство квантовой механики, ранее использованное для передачи неизвестных квантовых состояний между двумя сторонами без физической отправки самого состояния. Используя теоретический протокол, разработанный в 1990-х, йельские ученые экспериментально продемонстрировали квантовую операцию — гейт — без каких-либо прямых взаимодействий. Такие гейты необходимы для квантового вычисления, которое зависит от сетей отдельных квантовых систем — архитектуры, которую многие исследователи считают способной компенсировать ошибки, свойственные квантовым вычислительным процессорам.
Команда под руководством главного исследователя Роберта Шоелкопфа и бывшего аспиранта Кевина Чоу исследует модулярный подход к квантовому вычислению. Модулярность, присущая всему — от организации биологической клетки до двигателей новейших ракет SpaceX, — оказалась эффективной стратегией в построении больших комплексных систем. Квантовая модулярная архитектура состоит из набора модулей, функционирующих в качестве маленьких квантовых процессоров, подключенных к более крупной сети.
Модули этой архитектуры естественным образом изолированы друг от друга, что предотвращает нежелательные взаимодействия через более крупные системы. Однако эта изоляция также осложняет проведение операций между модулями. Телепортированные гейты — способ выполнения межмодульных операций.
Обзор сети модулярной квантовой архитектуры в новом исследовании / © Yale University
«Наша работа стала первым случаем демонстрации этого протокола, где классическая связь происходит в реальном времени, что позволяет провести «детерминистическую» операцию, каждый раз выполняющую необходимый процесс», — говорит Чоу.
Полностью функционирующие квантовые компьютеры потенциально могут достичь вычислительных скоростей, которые будут на порядки выше, чем у современных суперкомпьютеров. Йельские ученые находятся на передовой исследований разработки первых полнофункциональных квантовых компьютеров и уже успели проделать новаторскую работу в квантовых вычислениях со сверхпроводящими цепями.
Квантовые вычисления производятся при помощи чувствительных битов данных, известных как кубиты, которые подвержены ошибкам. В экспериментальных квантовых системах «логические» кубиты контролируются «вспомогательными» кубитами для регистрации и моментального исправления ошибок.
«Наш эксперимент — первая демонстрация двухкубитной операции между логическими кубитами, — рассказывает Шоелкопф. — Это рубеж на пути к обработке квантовой информации посредством кубитов, корректирующих ошибки».