Квантовые компьютеры легко выходят из строя. Это их основное свойство и главное препятствие для создания мощных вычислительных устройств. Их элементы, кубиты, теряются из-за внешних помех или ошибок в операциях. Поэтому сейчас системы работают циклами: выполняют короткие вычисления, останавливаются и перезапускаются.
Такой метод мешает решать большие задачи. Для отказоустойчивых вычислений нужны миллиарды операций подряд, что невозможно при постоянных перезапусках. Но возможно ли заменять потерянные кубиты без остановки вычислений?
Именно такую систему показала группа ученых из Гарвардского университета. Она содержит более 3000 кубитов и работает дольше двух часов.
Причина потерь: почему исчезают кубиты?
Для понимания важности этой работы нужно знать о главной проблеме. В этой системе кубиты — это атомы. Их удерживают лазеры, которые называют «оптическими пинцетами».
Атом-кубит легко теряется. Причины потерь: столкновения с другими частицами, ошибки лазерных импульсов или короткое время удержания в ловушке.
Когда это случается, в массиве кубитов появляется пустое место. Вычисления останавливаются. Старый метод — остановить процесс и создать массив заново. Это медленно. Как можно избежать этого?
Архитектура для непрерывной работы: три зоны
Предложенный метод делит рабочее место на три отдельные зоны, которые действуют одновременно.
Резервуар. Это источник атомов рубидия. Их доставляет система из лазерных лучей, похожая на конвейер.
Зона подготовки. Из источника атомы перемещаются в зону подготовки. Там их охлаждают, сортируют по одному, выстраивают в ровный массив и готовят к работе в качестве кубитов. Скорость подготовки — до 30 000 кубитов в секунду.
Зона хранения. Подготовленные кубиты перемещаются в зону хранения для вычислений. Это основной массив на 3240 мест.
Такое разделение изолирует «шумные» процессы подготовки от зоны вычислений.
Архитектура атомного массива для непрерывной перезагрузки. a, Облако охлажденных лазером атомов транспортируется на расстояние 0,5 м из отдельной области MOT в научную область с помощью двух конвейерных лент из оптических решеток, пересекающихся под углом. В научной области оптическая решетка служит атомным резервуаром, из которого 2D-массив оптических пинцетов многократно извлекает атомы в «зону подготовки». Здесь атомы охлаждаются лазером, перестраиваются в бездефектный массив, и их кубитное состояние инициализируется, после чего они переносятся в крупномасштабный массив пинцетов для хранения. Наша схема с двумя решетками позволяет избежать прямой видимости между массивами пинцетов и местоположением MOT и обеспечивает полностью одновременную подготовку и восполнение атомного резервуара. На вставке: Соответствующие атомные уровни ⁸⁷Rb. Во время подготовки кубитов кубиты в зоне хранения защищены от почти резонансного рассеяния фотонов на переходе 5S₁/₂ → 5P₃/₂ путем светового сдвига возбужденного состояния («экранирование»). Однокубитные вентили реализуются с помощью оптических рамановских переходов, которые управляют тактовыми состояниями |0⟩ и |1⟩ (см. раздел «Методы»). b, Суммарное количество атомов, полученных за N повторных извлечений пинцетами из одного решеточного резервуара (см. схему), где мы наблюдаем снижение коэффициента заполнения пинцетов после ~70 повторных извлечений из-за истощения резервуара. Для сравнения, серая линия показывает 50% заполнение массива. На вставке: Гистограмма коэффициентов заполнения пинцетов для первых 30 извлечений из резервуара. Примечательно, что лазерное охлаждение не применяется во время процесса загрузки в пинцеты. c, Суммарное количество атомов/кубитов, полученных путем извлечения пинцетами из многократно заменяемых решеточных резервуаров. Серые маркеры показывают поток атомов ~300 000 атомов/с после столкновений, индуцированных светом, где короткие прерывания происходят из-за второго этапа транспортировки для замены резервуара, во время которого резервуар отсутствует. Выполняя последовательность подготовки кубитов после каждого извлечения, мы достигаем непрерывного потока кубитов в 15 000 кубитов/с с перестройкой (оранжевый цвет) и 30 000 кубитов/с без перестройки (зеленый цвет). arXiv:2506.20660 [quant-ph]
Автор: Chiu, NC., Trapp, E.C., Guo, J. et al.Источник: arxiv.org
Главная трудность: как сохранить квантовую информацию?
Основная трудность — сохранить когерентность. Это свойство кубита быть одновременно и нулем, и единицей. Внешний шум, например, свет, разрушает это состояние.
Зона подготовки создает много светового шума. Как защитить кубиты в зоне хранения от этого света?
Ученые использовали два способа защиты.
Пространственная защита. Расположение зон не позволяет свету напрямую попадать из одной в другую.
Спектральная защита, или экранирование. На кубиты в зоне хранения светят специальным лазером. Он меняет свойства атомов, и они перестают реагировать на посторонний свет.
Тесты подтвердили, что защита эффективно сохраняет когерентность кубитов, даже когда рядом идет активная подготовка новых атомов.
Итеративная сборка и непрерывное поддержание крупномасштабного атомного массива. a, Изображение флуоресценции атомов, показывающее архитектуру зон, которая состоит из решеточного резервуара, зоны подготовки на 1440 мест и зоны хранения на 3240 мест. (Усредненные) изображения каждой зоны получены отдельно и объединены с разными весами для наглядности. b, Однокадровое изображение флуоресценции 3217 атомов в зоне хранения на 3240 мест (заполнение 99,3%). c, Итеративное построение и непрерывное поддержание крупномасштабного атомного массива. Начальная сборка происходит за ≈0,5 с в ходе шести итераций загрузки (показано на вставке). После этого один из шести сегментов («субмассивов») удаляется из зоны хранения и перезаполняется новым набором атомов каждые ~80 мс (см. также ED Рис. 6 и дополнительный видеоматериал). Здесь мы показываем циклическое восполнение субмассивов и непрерывное поддержание атомного массива из более чем 3000 атомов в течение более 2 часов, что значительно превышает время жизни в пинцете, составляющее ~60 с (показано серым цветом). В конечной точке данных при t = 2,3 ч, более 50 миллионов индивидуально сфотографированных и перестроенных атомов прошли через зону хранения. arXiv:2506.20660 [quant-ph]
Автор: Chiu, NC., Trapp, E.C., Guo, J. et al.Источник: arxiv.org
Двухчасовая работа: что это показывает?
Команда выполнила показательный эксперимент. Они заполнили массив из более чем 3000 кубитов. Затем они разделили его на шесть частей и поочередно заменяли самую старую часть на новую, подготовленную.
Процесс шел без остановки более двух часов. Один атом удерживается около минуты. Но система работала намного дольше за счет постоянной замены. Теперь время работы зависит от стабильности оборудования, а не от физических ограничений атомов.
Вся система работает дольше, чем ее части.
Непрерывная перезагрузка при сохранении когерентности кубитов в зоне хранения. a, Временная последовательность, визуализирующая наш протокол непрерывной перезагрузки (см. также ED Рис. 9 и дополнительный видеоматериал). После начальной сборки массива в зоне хранения субмассив, хранившийся дольше всего, удаляется и перезаполняется заранее подготовленным набором кубитов из зоны подготовки каждые ~80 мс, при этом на протяжении всего процесса применяется экранирование зоны хранения. Для подрисунков (c-d) кубиты в зоне хранения переводятся в состояние равной суперпозиции и подвергаются последовательности динамической развязки XY16-64 во время каждого цикла перезагрузки. b, Непрерывно перезагружая кубиты в зоне хранения, мы поддерживаем высокую степень поляризации массива (красный цвет) в течение, в принципе, неограниченного времени. Для сравнения мы приводим измерение T₁ без восполнения кубитов (серый цвет). c, Аналогично (b), но теперь с дополнительным применением последовательности динамической развязки Xπ/₂ - (XY16-64) — X−π/₂ во время восполнения каждого субмассива. Мы измеряем когерентность каждого субмассива в разные моменты времени в течение цикла восполнения путем считывания состояния кубитов |0⟩ (синий цвет) или |1⟩ (красный цвет), как подробно описано в разделе «Методы». Отдельные субмассивы (обозначены разным цветом) не подвержены влиянию перезагрузки соседних кубитов, а их дефазировка смещена во времени из-за циклического протокола перезагрузки субмассивов. Наложенные экспоненциальные пилообразные кривые служат для наглядности. Для сравнения мы приводим измерение T₂ для одного субмассива при той же циклической последовательности развязки без восполнения кубитов (серый цвет). d, После нескольких раундов перезагрузки с применением динамической развязки мы применяем заключительную последовательность DD и варьируем фазу последнего π/2-импульса для считывания в разных кубитных базисах. В дополнение к (c), наблюдаемый контраст когерентности различается для каждого субмассива (обозначено разным цветом) из-за временного сдвига в процессе их восполнения. arXiv:2506.20660 [quant-ph]
Автор: Chiu, NC., Trapp, E.C., Guo, J. et al.Источник: arxiv.org
Что это дает?
Этот результат, кроме рекорда, позволяет создавать отказоустойчивые квантовые компьютеры. Такая схема нужна для алгоритмов исправления ошибок, которые проверяют кубиты и заменяют сбойные.
Эта технология также будет полезна в других сферах:
Атомные часы и сенсоры. Отсутствие остановок для перезагрузки увеличит точность измерений.
Квантовые сети. Квантовым сетям нужен постоянный поток кубитов для быстрой связи.
