Учёные впервые реализовали в лаборатории дистилляцию магических состояний на логических кубитах — ключевой процесс, без которого невозможно создание по-настоящему мощных и устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров.

Дистилляция магических состояний — это способ получения ресурсов, необходимых для выполнения сложнейших вычислений, выходящих за рамки возможностей самых мощных суперкомпьютеров. Эти состояния не являются универсальными логическими элементами, но позволяют реализовывать важные для универсальных квантовых вычислений операции. Без них логические кубиты — устойчивые к ошибкам конструкции, объединяющие несколько физических кубитов — не могут выполнять вычисления, недоступные классическим системам.

До сих пор дистилляция таких ресурсов осуществлялась лишь на уровне физических кубитов, подверженных ошибкам, что исключало возможность использования устойчивых логических схем. В новом эксперименте, проведённом на нейтрально-атомной квантовой платформе Gemini (разработанной компанией QuEra), впервые удалось провести дистилляцию магических состояний на логических кубитах с коррекцией ошибок.

В работе использовался код с расстоянием 3 и 5 — параметр, определяющий, сколько ошибок можно надёжно обнаружить и исправить в логическом кубите. Например, расстояние 3 позволяет обнаружить и исправить одну ошибку, расстояние 5 — до двух. Из пяти неидеальных магических состояний был получен один высококачественный ресурс, пригодный для выполнения вычислений с применением так называемых нелинейных (не-Клиффордовых) квантовых операций. Их реализация — необходимое условие для достижения так называемого «квантового превосходства».

«Магические состояния расширяют спектр возможных вычислений, — объясняет Серхио Канту, вице-президент QuEra и ведущий автор исследования. — Фактически, любой практически значимый квантовый алгоритм требует их использования. До сих пор было неясно, возможно ли это на логических кубитах — теперь у нас есть ответ».

Как подчёркивают авторы, это достижение открывает путь к масштабируемым, устойчивым квантовым вычислениям, в которых логические схемы не только защищены от ошибок, но и способны выполнять универсальные алгоритмы. Теперь перед учёными стоит следующая задача — переход от прототипов к полнофункциональным вычислительным системам, способным решать задачи, недоступные классическим суперкомпьютерам.