Кубитный курьер

Исследователи НИТУ МИСИС, МФТИ, Сколтеха, Российского квантового центра, МГУ и МИАН имени В.А. Стеклова предложили концепцию новой архитектуры платформы для квантовых вычислений, в рамках которой специальные атомы-передатчики курсируют между вычислительными кубитами и поддерживают связь между ними вне зависимости от расстояния. Это открывает путь к созданию масштабируемых квантовых процессоров на основе ридберговских атомов.

Нейтральные атомы — одна из наиболее перспективных платформ для реализации кубитов, и интерес к этой платформе продолжает расти: в частности, работы в этом направлении недавно начала компания Google Quantum AI. Для обеспечения взаимодействия кубитов атомы временно переводят в высоковозбужденные (ридберговские) состояния. Это многократно усиливает взаимодействие между ними, но лишь на малых расстояниях. Два удаленных кубита напрямую взаимодействовать не могут, поэтому операцию между ними приходится выполнять через цепочку промежуточных атомов. Каждая такая операция выполняется с некоторой вероятностью ошибки, и чем длиннее цепочка (а она растет пропорционально размеру процессора), тем ниже итоговая точность вычислений. Вероятность успешного выполнения логической операции падает экспоненциально с числом кубитов.

Физики разделили кубиты на два типа. Вычислительные кубиты удерживаются в статическом массиве оптических пинцетов и не перемещаются в ходе вычислений. Кубиты-передатчики — специальные подвижные атомы — доставляют квантовую информацию между любыми двумя вычислительными кубитами: атом-передатчик подлетает к первому кубиту, забирает квантовое состояние, перемещается ко второму и выполняет операцию. После этого передатчик утилизируется или повторно используется. В рамках концепции предложено пять архитектур, различающихся способом перемещения передатчиков: конвейерные схемы с движущимися оптическими ловушками, схема свободного полета атома с последующим захватом, а также гибридные решения с маршрутизацией и квантовой телепортацией.

Работа проведена при поддержке Госкорпорации «Росатом» в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления» (договор № 868-1.3-15/15-2021 от 05.10.2021). Исследования выполнены в НИТУ МИСИС в рамках стратегического технологического проекта «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030».