Квантовые компьютеры обещают решать задачи, далеко выходящие за рамки возможностей классических машин, - от моделирования новых материалов до преобразования искусственного интеллекта. Но на пути стоит одна ключевая проблема: скорость. Чтобы быть надежными, квантовые компьютеры должны выполнять вычисления и исправлять ошибки до того, как их  квантовые биты, или кубиты, потеряют согласованность.

Чтобы решить эту проблему, исследователи Массачусетского технологического института создали новую сверхпроводящую схему, которая может значительно ускорить этот процесс, обеспечивая рекордную нелинейную связь и обещая ускорить квантовые операции.

В основе разработанного решения лежит недавно изобретенный компонент, “квартоновый соединитель”, который обеспечивает рекордный уровень взаимодействия между светом и веществом, что имеет решающее значение для считывания кубитов и управления ими. Эта разработка может ускорить выполнение операций в 10 раз.

Первоначально соединитель был разработанный в рамках проекта по созданию фотонного детектора для улучшения обработки квантовой информации.

Устройство представляет собой сверхпроводящую схему, предназначенную для создания чрезвычайно сильных нелинейных взаимодействий между частицами света (фотонами) и веществом (кубитами). “Большинство полезных взаимодействий в квантовых вычислениях происходят от нелинейного взаимодействия света и вещества. Если удастся получить более широкий спектр различных типов взаимодействия и увеличить силу взаимодействия, то можно будет существенно увеличить скорость обработки данных квантового компьютера”, - объясняет один из авторов исследования Юфенг Йе. Исследователи указывают, что они  могут усилить нелинейные эффекты, подавая больший ток в квартоновый соединитель, создавая условия для более быстрой и надежной квантовой обработки сведений.

Одним из самых больших препятствий в квантовых вычислениях на сегодняшний день является процесс считывания — измерения состояния кубита без преждевременного свертывания его квантовой информации. Чем сильнее взаимодействие между кубитом и его считывающим резонатором, тем быстрее и точнее может выполняться это измерение. Чтобы протестировать свою конструкцию, команда Массачусетского технологического института создала чип с двумя сверхпроводящими кубитами, соединенными квартонным соединителем. Один кубит служил искусственным атомом, хранящим квантовую информацию, в то время как другой действовал как резонатор. Для передачи информации между ними использовались микроволновые фотоны. Эта установка позволила установить связь между светом и веществом примерно в 10 раз сильнее, чем было продемонстрировано ранее.

“Взаимодействие между этими сверхпроводящими искусственными атомами и микроволновым излучением, которое направляет сигнал, - это, по сути, то, как строится весь сверхпроводящий квантовый компьютер”, - говорит Юфенг Йе. Ускорение операций и считывания данных имеет решающее значение, поскольку кубиты имеют ограниченное время когерентности — время, в течение которого они сохраняют свое квантовое состояние. Более сильная нелинейная связь означает, что до выхода кубитов из строя может быть выполнено больше операций, что позволяет проводить больше циклов исправления ошибок и повышает точность вычислений. “Чем больше попыток исправления ошибок вы сможете выполнить, тем меньше будет погрешностей в результатах”, - говорит Йе.

Цель состоит в том, чтобы интегрировать квартоновый соединитель в более крупную квантовую архитектуру, которая включает дополнительные компоненты схемы, для создания высокоскоростной системы считывания с низким уровнем ошибок.

Указанное исследование опубликовано в журнале Nature Communications.