Компьютеры на квантах: кубиты подвержены флуктуациям

Квантовые компьютеры работают с кубитами. Последние, как оказалось способны менять производительность – деградируют. Ученые нашли способ отслеживать онлайн эти колебания. Процесс занимает миллисекунды. Открытие открывает дорогу к повышению надежности.

Кубиты, пишет xrust, — это фундаментальные единицы квантовых компьютеров, которые, как надеются ученые, однажды превзойдут по производительности самые мощные современные машины. Но кубиты чрезвычайно чувствительны. Материалы, используемые для их создания, часто содержат крошечные дефекты, которые ученые до сих пор не до конца понимают. Эти микроскопические несовершенства могут менять свое положение сотни раз в секунду. При этом они изменяют скорость потери энергии кубитом, а вместе с ней и ценной квантовой информации.

До недавнего времени стандартные методы тестирования занимали до минуты для измерения производительности кубита. Этого было слишком мало для выявления этих быстрых флуктуаций. Вместо этого исследователи могли определить только среднюю скорость потери энергии, что скрывало истинное и часто нестабильное поведение кубита.

Управление кубитами в реальном времени с помощью FPGA

Исследовательская группа, пишет sciencedaily, разработала адаптивную систему измерения в реальном времени, которая отслеживает изменения скорости потери энергии (релаксации) кубита по мере их возникновения.

Новый подход основан на быстром классическом контроллере, который обновляет свою оценку скорости релаксации кубита в течение миллисекунд. Это соответствует естественной скорости самих флуктуаций, а не отстает на секунды или минуты, как это было в более старых методах.

Для достижения этой цели команда использовала программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA), тип классического процессора, разработанного для чрезвычайно быстрых операций. Проводя эксперимент непосредственно на FPGA, они смогли быстро получить «приблизительную оценку» скорости потери энергии кубитом, используя всего несколько измерений. Это устранило необходимость в более медленной передаче данных на обычный компьютер.

Программирование ПЛИС для таких специализированных задач может быть сложной задачей. Тем не менее, исследователям удалось обновлять внутреннюю байесовскую модель контроллера после каждого измерения кубита. Это позволило системе постоянно уточнять свое понимание состояния кубита в реальном времени.

В результате контроллер теперь успевает за изменениями в окружении кубита. Измерения и корректировки происходят практически в том же временном масштабе, что и сами флуктуации, что делает систему примерно в сто раз быстрее, чем это было продемонстрировано ранее.

Эта работа также выявила нечто новое. Ранее ученые не знали, насколько быстро происходят флуктуации в сверхпроводящих кубитах. Теперь эти эксперименты дали представление об этом.

Коммерческое квантовое оборудование и передовые технологии управления

ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) уже давно используются в других областях науки и техники. В данном случае исследователи использовали коммерчески доступный контроллер на базе ПЛИС от компании Quantum Machines под названием OPX1000. Систему можно программировать на языке, похожем на Python, который уже используют многие физики, что делает ее более доступной для исследовательских групп по всему миру.

Почему калибровка в реальном времени важна для квантовых компьютеров

Квантовые технологии обещают новые мощные возможности, хотя разработка крупномасштабных квантовых компьютеров для практического применения всё ещё продолжается. Прогресс часто происходит постепенно, но иногда случаются и значительные шаги вперёд.

Полученные результаты меняют представление ученых о тестировании и калибровке сверхпроводящих квантовых процессоров. При использовании современных материалов и методов производства переход к мониторингу и корректировке в реальном времени представляется необходимым для повышения надежности. Результаты также подчеркивают важность партнерства между академическими исследованиями и промышленностью, а также творческого использования доступных технологий.