Недавние достижения в области квантовых технологий демонстрируют значительный прогресс на пути к созданию практических и масштабируемых квантовых вычислителей. Учёные из Университета Сиднея осуществили уникальный эксперимент, в котором впервые были выполнены все основные универсальные логические операции для квантовых кодов Готтесмана–Китоева–Прескилла (GKP) — при этом исключительно средствами одного иона в ловушке Пола. В отличие от традиционных подходов, требующих множества физических кубитов, эта новаторская методика использует всего один ион и его двухмерные колебательные режимы для записи двух логических кубитов, что значительно упрощает аппаратную архитектуру.
Исследование показывает, что управление осуществляется с помощью лазерных импульсов, длина которых составляет всего 355 нанометров. Модулируя их фазу, учёные достигали точного воздействия на квантовое состояние. Успешная реализация логических операций — базовых поворотов, а также операции T — свидетельствуют о возможности полноценного выполнения универсальных квантовых вычислений в рамках этой модели. Важным аспектом является высокая точность исполненных операций, достигавшая 94-96%, что особенно важно для защиты квантовых данных от ошибок.
В процессе эксперимента был успешно реализован весь набор однокубитных логических операций. Также была выполнена двухкубитная операция CZ (управляемый поворот), которая считается важнейшей для реализации универсальной логики. Ее выполнение заняло всего около 1 миллисекунды, а точность достигала 73%. Главными источниками ошибок оказались случайные изменения колебательных частот и упрощённые режимы измерения, что указывает на перспективы дальнейшей оптимизации.
Одним из ключевых достижений стало создание состояний Белла за один шаг — всего за 1,86 миллисекунды — что также повысит эффективность реализации сложных квантовых алгоритмов. Созданное состояние обладает логической точностью около 83%, согласно экспериментальным и моделированным данным. Этот результат демонстрирует возможность прямого быстрого синтеза критически важных ресурсных состояний, ранее получавшихся только сложными методами.
Технически значимым элементом системы стал «якорный» спиновый кубит, отличающийся чрезвычайно высокой стабильностью и способностью сохранять когерентность в течение 8,7 секунды, а при менее строгих режимах — до полуминуты. Такой долговременный запас когерентности обеспечивает устойчивую работу квантового регистра и позволяет выполнять последовательные операции без потери информации. Пониженный уровень нагрева — всего 0,2 кванта в секунду — также способствует снижению ошибок и повышению точности измерений.
Основной результат состоит в том, что все логические операции проектировались с минимальной деградацией формы реальных GKP-состояний, что важно для дальнейших масштабных реализаций. Теоретические модели предполагают невозможность полноценной реализации бесконечно энергетических GKP-состояний, однако эксперимент показывает, что можно снизить уровень ошибок, вызванных отклонениями искажений. Это значительно снижает требования к корректирующим кодам и упрощает архитектуру.
Немаловажным аспектом является разбор источников ошибок: главными остаются стабильность и точность ионной ловушки и тепловой шум в начале эксперимента. В будущем, с помощью аппаратных модернизаций — повышения интенсивности лазерного взаимодействия, стабилизации ловушек и расширения времени когерентности — удастся сократить уровень ошибок еще больше, что приблизит систему к ее теоретическому пределу.
Эти достижения имеют огромное значение для практической реализации универсальных кубитных наборов для GKP-кодов. Их гибкая и ресурсосберегающая природа делает метод потенциальным кандидатом для построения более простых, компактных и масштабируемых квантовых компьютеров. Такой подход легко масштабируется и совместим с различными архитектурами, включая гибридные системы, сочетающие преимущества дискретных и непрерывных переменных.
Эксперименты подтверждают перспективность использования одной ионной ловушки и её колебательных режимов как эффективной платформы для реализации сложных квантовых логических операций. Эти технологии к тому же хорошо согласуются с будущими моделями, где классические схемы могут вытеснить излишне громоздкие системы, требующие множества физических кубитов.
В перспективе планируется увеличение числа логических кубитов, совершенствование протоколов коррекции ошибок и интеграция новых методов стабилизации систем. Это откроет путь к созданию устойчивых, более простых в реализации и менее чувствительных к внешним воздействиям квантовых процессоров, способных решать задачи, недостижимые для классических систем. Такие разработки станут фундаментом для следующего поколения квантовых вычислителей, широко применимых в области криптографии, моделирования сложных систем и решения задач оптимизации. Они также откроют новые горизонты в интеграции квантовых технологий в промышленные и исследовательские сферы, обеспечивая устойчивый прогресс в быстром растущем пространстве квантовых вычислений.
