Учёные из Университета Сиднея совершили важный шаг в области квантовых вычислений, продемонстрировав возможность выполнения полного набора универсальных логических операций для квантовых кодов Готтесмана–Китоева–Прескилла (GKP) с помощью исключительно одного иона, находящегося в ловушке Пола. Этот прорыв позволяет осуществлять сложные логические преобразования без необходимости привлечения множества вспомогательных кубитов, что значительно упрощает архитектуру и потенциально сокращает размеры квантовых систем. В результате была реализована прямая генерация одно из базовых состояний — состояния Белла, что является важным компонентом для реализации надежных и масштабируемых квантовых компьютеров. Такой подход обладает мощным потенциалом для создания компактных платформ, способных выполнять масштабные квантовые вычисления.
В основе успешной реализации лежит использование колебаний одного иона итттербия, размещённого в ионной ловушке при комнатной температуре. В классических системах квантовых вычислений обычно требуют массивов атомов или ионов, каждый из которых представляет отдельный кубит. Однако учёные смогли «записать» два логических кубита не в двух отдельных частицах, а в двух колебательных режимах одного иона — по направлениям X и Y. Частоты колебаний по этим осям достигали примерно 1,3 и 1,5 мегагерца соответственно (около полутора миллионов колебаний в секунду). Такой инновационный подход позволяет «экономить» физические ресурсы, поскольку один квантовый осциллятор выполняет роль полноценного логического кубита. В традиционных схемах коррекции ошибок для каждого логического кубита требуется целая группа физических кубитов, что значительно усложняет архитектуру и увеличивает затраты ресурсов.
Управление логическими операциями осуществлялось с помощью лазерных импульсов длиной волны 355 нанометров. Модулируя фазы лазерных импульсов, исследователи смогли точно воздействовать на квантовое состояние и выполнять необходимые операции без искажения информации или потери устойчивости состояний. Разработанная схема позволила реализовать весь спектр однокубитных соответствующих операторов, необходимых для универсальных вычислений: базовые повороты и операцию T, а также двукубитную логическую операцию — контролируемый поворот CZ (controlled-Z). Время подготовки нужных состояний составляло около 700–800 микросекунд, а выполнение логических операций длилось примерно 200–340 микросекунд. При этом точность выполнения каждой операции, оценённая методами квантовой томографии, составляла от 94% до 96%. Эти показатели свидетельствуют о высокой точности и надёжности реализованных схем.
Одним из ключевых достижений стало выполнение двухкубитной логики — операции CZ, которая была реализована тройным последовательным воздействием, занявшим около 993 микросекунд. Средняя точность этой операции составила около 73%, что свидетельствует о высоком уровне управления и минимизации ошибок. Основными источниками отклонений оказались случайные изменения частот колебаний и упрощённая модель измерений, использованная для сокращения времени эксперимента. Несмотря на это, полученные результаты показывают возможность выполнения сложных двухкубитных логических операций на одной ионной системе.
Ещё одним важным результатом стало создание состояния Белла из вакуума за один шаг — с помощью усовершенствованного протокола. На этот процесс ушло всего 1,86 миллисекунды, а точность «перепутанного» состояния достигла 83%. Независимое численное моделирование подтвердило примерно такую же степень точности — около 81%. Эти успехи свидетельствуют о высокой эффективности прямого синтеза ресурсных квантовых состояний, ранее получавшихся гораздо более сложными и затратными способами.
Особое значение в эксперименте имело использование «якорного» кубита — спинового состояния иона, обладающего очень высокой стабильностью. Время когерентности этого спинового состояния достигало 8,7 секунд, что значительно превышает время сохранения квантовых состояний колебаний — порядка 50 миллисекунд. Кроме того, наблюдался очень низкий уровень нагрева системы — всего 0,2 квантов в секунду, что существенно повышает точность измерений и снижает помехи, влияющие на стабильность систем. Всё логические импульсы проектировались так, чтобы минимизировать искажения формы реальных GKP-состояний: идеальные GKP-построения требуют бесконечной энергии и недостижимы в реальности, а любые отклонения усиливают вероятность ошибок, которых необходимо дополнительно исправлять. В данной работе оптимизация схем позволила значительно снизить уровень ошибок, связанных с такими слабыми отклонениями.
Авторы подробно проанализировали возникающие ошибки и выявили их основные источники: нестабильность ионной ловушки и тепловой шум в начале эксперимента. В будущем развитие системы предполагает улучшение аппаратных средств: увеличение интенсивности лазерных взаимодействий, стабилизацию ловушки и продление когерентного времени движения иона. По оценкам исследователей, такие меры смогут снизить вероятность ошибок на порядок и вывести работу системы к пределам теоретической эффективности.
Эти достижения важны не только с точки зрения теоретического прогресса, но и для практической реализации универсальных кубитных схем на платформе одного иона. Эта методика обладает высокой гибкостью и ресурсной эффективностью — для каждого логического кубита требуется всего один квантовый осциллятор, в отличие от стандартных систем, где приходится использовать десятки частиц. Такой подход делает возможным создание масштабируемых квантовых устройств будущего, что особенно актуально для развития «бозонных» квантовых компьютеров и гибридных схем, объединяющих преимущества дискретных и непрерывных переменных.
На долгосрочной перспективе команда планирует расширять число кубитов, оптимизировать протоколы коррекции ошибок и интегрировать новые технологии для повышения устойчивости систем. Эти разработки создают прочную основу для построения более устойчивых, компактных и эффективных квантовых процессоров, способных выполнять решения, недоступные классическим вычислительным системам. В конечном итоге, внедрение таких инновационных методов может привести к появлению квантовых компьютеров нового поколения, которые существенно превзойдут современные технологии по скорости и возможностям решений сложных задач, в том числе в области криптографии, моделирования сложных систем и оптимизации.
