Треск в квантовом процессоре умолк на секунды экспресс
Сверхпроводящий кубит — базовый элемент квантового процессора — сравним с капризным музыкальным инструментом: пока его не настроишь, чистой ноты не жди. Но даже после настройки звук плывёт. Виновники деградации квантового состояния — микроскопические дефекты в материале, известные физикам как двухуровневые системы (ДУС). Эти дефекты ведут себя подобно невидимым трещинкам, которые спонтанно появляются и исчезают, сбивая когерентный ритм работы процессора. ДУС — это, по сути, атомы или группы атомов, способные туннелировать между двумя энергетическими состояниями, что создаёт паразитный шум.
Для детектирования столь быстрой динамики исследователи сконструировали измерительную установку на основе программируемой логической матрицы (FPGA) — гибкого микрочипа, чью логическую структуру можно перепрограммировать непосредственно под экспериментальную задачу. С её помощью они регистрировали процесс релаксации кубитов (возврат в основное состояние) с субсекундным временны́м разрешением, то есть отлавливали изменения быстрее чем за секунду. Выяснилось, что картина быстрых флуктуаций универсальна: она воспроизводится для разных кубитов, в разных лабораториях и на образцах от разных производителей. Более того, эти скоротечные скачки частоты удалось напрямую коррелировать с ошибками в квантовых вентилях — элементарных логических операциях, из которых складывается любое квантовое вычисление. Связь подтвердили методом рандомизированного бенчмаркинга: он позволяет количественно оценить точность (fidelity) вентилей, случайным образом перебирая их последовательности и анализируя отклонение результата от идеального.
Теперь становится ясно: настройка квантового компьютера — не разовая процедура калибровки, а непрерывная борьба с быстрым нестационарным шумом. Возвращаясь к музыкальной аналогии: инструмент расстраивается не за месяц, а за пару секунд — и настройщику приходится работать без перерыва, непрерывно корректируя параметры, чтобы удержать систему в области приемлемой когерентности.
Двухуровневые системы — это не абстракция, а реальные атомы или группы атомов, которые могут находиться в двух состояниях, как крошечный выключатель. Их переключение отнимает энергию у кубита, из-за чего тот «забывает» своё квантовое состояние.
В романе «Алмазный век» Нила Стивенсона наномашины борются с дефектами материалов на атомном уровне — примерно так же, как инженерам приходится бороться с двухуровневыми системами в квантовых процессорах.