Австралийские ученые-физики разработали инновационный метод квантовых вычислений, основанный на единственном ионе
Исследователи из Сиднейского университета впервые успешно реализовали полный спектр универсальных логических операций для квантовых кодов Готтесмана-Китаева-Прескилла (GKP), используя всего один ион, удерживаемый в ловушке Паули. Операции были выполнены без использования большого числа вспомогательных кубитов, что позволило напрямую сгенерировать одно из основных состояний – состояние Белла. Данный подход может упростить и сделать более компактными квантовые компьютеры, открывая путь к созданию масштабируемых квантовых вычислений.
В основе исследования лежит использование колебаний одного иона иттербия, помещенного в ионную ловушку при комнатной температуре. В традиционных схемах квантовые вычисления требуют большого количества отдельных атомов или ионов, каждый из которых представляет собой один кубит. В данном случае оба кубита кодировались не отдельными частицами, а двумя колебательными модами одного иона по осям x и y. Частоты колебаний составляли около 1,3 и 1,5 мегагерц соответственно. Этот метод позволяет экономить ресурсы, используя один квантовый осциллятор для выполнения функций полного логического кубита. В классических кодах коррекции ошибок на один логический кубит требуется группа физических кубитов.
Управление вычислениями осуществлялось с помощью лазерных импульсов с длиной волны 355 нанометров. Варьируя фазы импульсов, учёные точно управляли квантовым состоянием. Разработанная система дала возможность осуществлять логические операции без искажения данных и потери стабильности состояний.
В ходе эксперимента был реализован полный набор однокубитных логических операций, необходимых для универсальных вычислений, включая базовые повороты и операцию T. Подготовка состояния занимала от 700 до 800 микросекунд, а сами логические операции длились от 200 до 340 микросекунд. Точность выполнения операций, оцененная с помощью квантовой томографии, составила от 94% до 96%.
Была реализована двухкубитная логическая операция CZ (управляемый поворот) в три этапа за 993 микросекунды со средней точностью 73%. Также было создано состояние Белла из вакуума за 1,86 миллисекунды с точностью 83%.
Все процессы поддерживались стабильным спиновым состоянием иона. Время когерентности этого эталонного кубита достигало 8,7 секунды, а состояний колебаний – до 50 миллисекунд при низком нагреве.
Логические импульсы минимизировали искажения GKP-состояний. Найдены главные источники ошибок: стабильность ионной ловушки и тепловой шум. Улучшения, такие как увеличение интенсивности взаимодействия лазера с ионом, могут снизить вероятность ошибок примерно на порядок.
Значение работы заключается в достижении универсального набора ворот для GKP-кубитов. Методика совместима с различными архитектурами квантовых компьютеров, экономя ресурсы.
Результаты открывают путь для развития масштабируемых квантовых вычислителей и гибридных схем, позволяя создавать более устойчивые и простые квантовые процессоры.