Квантовый компьютер становится полезным не тогда, когда в лаборатории удалось сделать несколько кубитов, а когда эти кубиты можно надёжно соединять в более крупные системы. Именно здесь возникает одна из главных инженерных проблем: квантовые состояния очень хрупки, а запутанность между удалёнными кубитами обычно приходится создавать точными управляющими импульсами, измерениями и отбором удачных попыток.
Физики из Института науки и технологий Австрии (ISTA) показали другой путь. В их эксперименте два разнесённых кубита оказались запутанными не благодаря непрерывному «ручному управлению», а за счёт специально подготовленной общей среды — того, что авторы называют квантовой ванной. Работа вышла в Physical Review X.
Не враг, а помощник
Обычная интуиция подсказывает: окружение вредно для квантовой системы. Тепловой шум, электромагнитные помехи и случайные взаимодействия разрушают тонкие квантовые состояния — этот процесс называют декогеренцией. Поэтому квантовые процессоры тщательно охлаждают и изолируют.
Новая работа использует противоположный принцип. Вместо того чтобы максимально убрать окружение, исследователи сделали его контролируемым и квантово-коррелированным. Их «ванна» — это непрерывный поток связанных между собой микроволновых фотонов, общий для двух сверхпроводниковых кубитов.
Такое окружение не просто случайно воздействует на каждый кубит. Оно подталкивает пару к определённому общему состоянию — запутанному. И продолжает его поддерживать. В идеале это похоже не на разовую команду «сейчас запутайтесь», а на ландшафт, по которому шарики сами скатываются в одну и ту же впадину.
Что именно сделали
Кубит — квантовый аналог бита. Но если обычный бит в момент измерения имеет значение 0 или 1, кубит может находиться в суперпозиции этих состояний. Запутанность связывает несколько кубитов так, что измерения их состояний оказываются согласованными способом, который нельзя объяснить классической независимой случайностью.
Чтобы создать такую связь на расстоянии, обычно используют активные схемы. Например, контролируемо передают фотон от одного кубита к другому или измеряют фотоны, испущенные двумя кубитами, и оставляют только успешные события. Такие подходы важны и уже работают, но требуют точной синхронизации, управления и, в некоторых случаях, повторения попыток.
В эксперименте ISTA источник создавал коррелированные пары микроволновых фотонов. Каждый поток направлялся к своему кубиту. Общая квантовая корреляция этой среды приводила два кубита к общей стационарной запутанной конфигурации без постоянных измерений и обратной связи в процессе её создания.
Авторы проверяли состояние методом квантовой томографии: многократно измеряли систему в разных базисах и по статистике восстанавливали её квантовое описание. Отдельные измерения длились десятки наносекунд, но вывод о состоянии возникает только после большого набора таких наблюдений.
Почему слово «автоматически» важно
В квантовой технике особенно дорого обходится не только создание полезного состояния, но и его удержание. Если его приходится готовить отдельно для каждой операции, устройство тратит время и сложность на борьбу с собственными ошибками.
Здесь же запутанность поддерживается самой средой. Это называют диссипативной инженерией: обычно потеря энергии и связь с окружением портят квантовую информацию, но правильно спроектированная диссипация может, наоборот, стабилизировать нужное состояние.
Для будущих модульных квантовых компьютеров идея привлекательна. Вместо одного гигантского чипа можно было бы соединять небольшие квантовые модули. Автономный источник запутанности теоретически способен сделать такие связи менее требовательными к активному контролю.
Но это ещё не готовый квантовый интернет
Слово «автономно» не означает «без технических трудностей». В нынешнем прототипе метод переносит около 10% доступной запутанности из общей квантовой среды в пару кубитов. Это интересная демонстрация принципа, но не рекордная и не готовая архитектура большого компьютера.
Эксперимент также работает с двумя кубитами и микроволновыми фотонами. Такие фотоны естественны для сверхпроводниковых схем, однако плохо подходят для дальней связи по обычному оптоволокну. Чтобы однажды соединять удалённые квантовые процессоры, потребуются эффективные преобразователи между микроволновым и оптическим диапазонами, новые методы коррекции ошибок и масштабирование самой схемы.
Поэтому корректнее видеть в этой работе не обещание немедленного практического устройства, а смену инженерной стратегии. Квантовая среда может быть не только источником потерь, но и активным элементом, который сам «собирает» полезное состояние.
Двадцатилетняя идея получила эксперимент
Теоретическая возможность распределять запутанность через общую сжатую квантовую среду обсуждалась более двадцати лет. Теперь её реализовали в лаборатории на физической платформе, близкой к современным сверхпроводниковым квантовым устройствам.
Это важно ещё и как урок для всей области: масштабирование квантовых вычислений, вероятно, будет зависеть не от одной рекордной характеристики кубита. Нужны способы соединять, стабилизировать и проверять многие элементы сразу. Иногда путь к этому лежит не через более жёсткую изоляцию системы, а через более умное окружение.