Учёные из Университета Сиднея достигли значительного прогресса в области квантовых вычислений, реализовав первый полный набор универсальных логических операций для квантовых кодов Готтесмана–Китоева–Прескилла (GKP) только с помощью одного иона в ловушке Пола. Это стало возможным благодаря использованию уникальной методики, которая исключает необходимость в многочисленных вспомогательных кубитах, что ранее рассматривалось как основное затруднение для масштабируемых квантовых систем. Итогом эксперимента стала прямая генерация состояний Белла — базовых элементов квантовой связи, что свидетельствует о перспективности метода для создания более компактных и простых устройств для квантовых вычислений.
Сам эксперимент основывался на использовании колебаний одного иона итттербия, находящегося в ионной ловушке при комнатной температуре. В традиционных схемах квантовых вычислений обычно задействуются многомасштабные системы, в которых каждый атом или ион кодирует один кубит. В отличие от этого, в данной разработке оба логических кубита были представлены в двух различных режимах колебаний одного иона: вдоль осей x и y. Частоты колебаний составляли приблизительно 1,3 и 1,5 мегагерца, что эквивалентно около полутора миллионам колебаний в секунду. Такой подход не только значительно снижает требования к физической инфраструктуре, но и повышает эффективность использования ресурсов, позволяя одному квантовому осциллятору выполнение функций полного логического кубита.
Управление логическими операциями осуществлялось с помощью специально модулированных лазерных импульсов с длиной волны 355 нанометров. Изменяя фазу лазерных импульсов, исследователи могли точно воздействовать на состояние иона, выполнять необходимые логические операции и сохранять стабильность данных. Такой метод позволил проводить операции без искажения информации или потери устойчивости состояний, что часто является проблемой при реализации квантовых логик в рамках практических условий. В результате была успешно реализована вся “база” однокубитных операций, включающая базовые повороты и операцию T, а также подтверждена их теоретическая полнота.
Интересно, что подготовка необходимого состояния заняла около 700–800 микросекунд, а сами логические операции осуществлялись за 200–340 микросекунд. Применение квантовой томографии позволило оценить точность каждой операции — она варьировала между 94% и 96%, что является очень высоким результатом для такой сложной системы.
Ключевым аспектом исследования стала реализация двухкубитной логики — операции CZ (управляемый поворот), выполненной тремя последовательными этапами. Время её выполнения составило около 993 микросекунд, при средней точности около 73%. Основной причиной отклонений от идеала стали случайные изменения частот колебаний и ограниченность режима измерений, выбраного для экономии времени. В целом, подобные результаты свидетельствуют о том, что более стабильная и точная реализация двухкубитных логик в этих системах является вполне достижимой задачей.
Ещё один важный результат — создание состония Белла из вакуума всего за один шаг при помощи улучшенного протокола, что заняло примерно 1,86 миллисекунды. Уровень точности достигнутого состояния составил 83%, а численные моделирования показывают, что реальные показатели могут быть около 81%. Такой успех указывает на возможность прямого синтеза сложных ресурсных состояний, ранее требовавших более сложных процедур, что существенно повышает эффективность процессов подготовки квантовых ресурсов.
Все описанные операции поддерживались с помощью очень стабильного “якорного” спинового кубита, который существенно превосходит диапазон времени когерентности — до 8,7 секунд. Время сохранения квантовых свойств колебательных режимов, более того, доходило до 50 миллисекунд. Отмечалось низкое нагревание и минимальные шумы, что критично для точных квантовых измерений и манипуляций.
Особое внимание привлекла оптимизация импульсов так, чтобы минимально искажать формы и энергетику реальных GKP-состояний. Теоретически идеально реализовать такие состояния невозможно, поскольку они требуют бесконечной энергии, однако исследования показали, что меньшие отклонения значительно снижают вероятность ошибок и облегчают дальнейшее исправление ошибок.
В ходе анализа ошибок учёные выделили ключевые источники: нестабильность ионной ловушки и тепловой шум в начале эксперимента. Планируется аппаратное улучшение — увеличение интенсивности лазерных взаимодействий, стабилизация ловушки и продление времени когерентности движений. Эти меры, по оценкам, могут уменьшить число ошибок в десять раз и приблизить работу системы к теоретическим пределам.
Значение выполненной работы — в подтверждении практической реализуемости универсального набора ворот для GKP-кубитов на базе одного иона, что открывает новые горизонты для разработки компактных, масштабируемых и энергосберегающих квантовых вычислительных платформ. Такой подход не только совместим с современными архитектурами квантовых устройств, но и позволяет экономить ресурсы: для реализации каждого логического кубита достаточно одного осциллятора, в отличие от стандартных методов, требующих десятки элементов.
Эти достижения создают прочную основу для развития масштабируемых “бозонных” квантовых компьютеров и гибридных систем, объединяющих преимущества дискретных и непрерывных переменных. В будущем команда планирует увеличить число задействованных кубитов, улучшить протоколы коррекции ошибок и автоматизировать процессы, чтобы приблизить реализацию практических крупных квантовых систем, способных решать сложнейшие задачи, недоступные классическим машинам. Новаторские экспериментальные разработки открывают путь к новым моделям квантовых процессоров, обеспечивающих значительно большую стабильность, меньшие требования к ресурсам и перспективы практического масштабирования.
