Fyzici na University of Sydney dosáhli průlomu kvantové výpočetní techniky Vytvořením univerzální logické brány uvnitř singlu atom.
Pomocí výkonného systému opravávání chyb známý jako kód Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP)-často nazývaný „Rosetta Stone“ kvantového výpočtu-podařilo se jim zapletit vibrace zachyceného iontu. Tento úspěch drasticky snižuje počet potřebných fyzických qubitů a řeší jednu z největších překážek v škálování kvantových počítačů a přibližuje praktické, rozsáhlé kvantové stroje blíže k realitě.
Boj s kvantovými chybami v měřítku
Budování velkého a spolehlivého kvantového počítače je jednou z nejtěžších vědeckých výzev. Hlavní překážkou jsou náhodné chyby, ke kterým dochází, když kvantové bity nebo qubits provádějí své operace.
Pro dosažení pokroku vědci vyvinuli způsoby kódování qubitů, aby některé mohly být použity k detekci a opravě chyb v jiných. To umožňuje menší skupině qubits správně fungovat a poskytovat smysluplné výsledky.
Čím logičtější qubits se však přidávají, tím je k jejich podpoře potřebnější fyzické qubits. Požadavky rostou tak rychle, že škálování na skutečně užitečný kvantový počítač se mění v masivní inženýrskou noční můru.
Průlom na University of Sydney
Vědci z Laboratoře Quantum Control Laboratory na Institutu University of Sydney Nano Institute nyní udělali hlavní krok vpřed. Poprvé prokázali druh kvantové logické brány, která vyžaduje fungování mnohem méně fyzických qubits.
Jejich přístup zahrnoval konstrukci logické brány zamotání uvnitř jediného atomu pomocí pokročilého kódu opravujícího chyby, které se často označilo za „Rosetta Stone“ kvantového výpočtu. Tento kód získal přezdívku, protože převádí hladké, nepřetržité kvantové oscilace na diskrétní digitální stavy. Tento překlad usnadňuje pozorování a opravu chyb a zároveň poskytuje kompaktní a efektivní způsob kódování logických qubits.
Kódy GKP: Rosetta Stone pro kvantový výpočet
Tento zvědavě pojmenovaný Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) kód po mnoho let nabízí teoretickou možnost pro výrazné snížení fyzického počtu qubitů potřebných k vytvoření funkčního „logického qubit“. I když díky efektivitě obchodování s složitostí, což ztěžuje kontrolu kódů.
Výzkum publikovaný dnes v Fyzika přírody Ukazuje to jako fyzickou realitu, klepání do přirozených oscilací zachyceného iontu (nabitého atomu ytterbia) k ukládání kódů GKP a poprvé si uvědomíte kvantové zamotající brány mezi nimi.
Vědci, vedeni kolegou Sydney Horizon Dr. Tingrei Tan na University of Sydney Nano Institute, použili svou vynikající kontrolu nad harmonickým pohybem zachyceného iontu k překlenutí složitosti kódování qubits GKP, což umožnilo demonstraci jejich zapletení.
„Naše experimenty ukázaly první realizaci univerzální logické brány pro qubits GKP,“ řekl Dr. Tan. „Udělali jsme to tím, že jsme přesně ovládali přirozené vibrace nebo harmonické oscilace zachyceného iontu takovým způsobem, že můžeme manipulovat s jednotlivými qubity GKP nebo je zamotat jako pár.“
Inovace kvantové logické brány a softwaru
Logická brána je informační přepínač, který umožňuje, aby počítače – kvantum a klasické – programovatelné provádět logické operace. Kvantové logické brány používají zapletení qubits k vytvoření zcela odlišného druhu operačního systému, než se používá v klasickém výpočtu, což podporuje velký příslib kvantových počítačů.
První autor Vassili Matsos je doktorský student ve škole fyziky a Sydney Nano. Řekl: „Efektivně ukládáme dvě logické qubits ovládatelné chyby do jednoho zachyceného iontu a prokážeme mezi nimi zapletení.
„Udělali jsme to pomocí softwaru Quantum Control vyvinutého Q-CTRL, spin-off začínající společností z Quantum Control Laboratory, s modelem založeným na fyzice, který navrhuje kvantové brány, které minimalizují zkreslení logických qubits GKP, takže udržují jemnou strukturu kódu GKP při zpracování kvantových informací.“
Milník v kvantové technologii
To, co udělal pan Matsos, je zapletení dvou „kvantových vibrací“ jednoho atomu. Trapovaný atom atom vibruje ve třech rozměrech. Pohyb v každé dimenzi je popsán kvantovou mechanikou a každý je považován za „kvantový stav“. Pan Matsos vytvořil logickou bránu pomocí dvou z těchto kvantových stavů realizovaných jako qubits pomocí pouze jediného atomu, milníku v kvantové technologii.
Tento výsledek masivně snižuje kvantový hardware potřebný k vytvoření těchto logických bran, které umožňují naprogramování kvantových strojů.
Dr. Tan řekl: „Kódy korekce chyb GKP již dlouho slíbily snížení požadavků na hardware při řešení výzvy pro režii zdroje pro měřítko kvantových počítačů. Naše experimenty dosáhly klíčového milníku, což prokazuje, že tyto vysoce kvalitní kvantové ovládací prvky poskytují klíčový nástroj k manipulaci s více než jedním logickým qubit.
„Tím, že prokážeme univerzální kvantové brány pomocí těchto qubitů, máme základ, který bude moci usilovat o rozsáhlé zpracování kvantově informovanosti vysoce efektivním způsobem.“
Směrem k škálovatelným a efektivním kvantovým strojům
Ve třech experimentech popsaných v příspěvku používal tým Dr. Tan jediný ion Ytterbium obsažený v tzv. Paul Paul. To používá komplexní pole laserů při pokojové teplotě k držení jediného atomu v pasti, což umožňuje kontrolovat a použity jeho přirozené vibrace k výrobě komplexních kódů GKP.
Tento výzkum představuje důležitou demonstraci, že kvantové logické brány lze vyvinout se sníženým fyzickým počtem qubitů, což zvyšuje jejich účinnost.
Reference: „Universal Quantum Gate Set for Gottesman – Kitaev – Preskill Logical Qubits“ od VG Matsos, Ch Valahu, MJ Millican, T. Navickas, XC Kolesnikow, MJ Biercuk a Tr Tan, 21. srpna 2025,, 21. srpna 2025, “ Fyzika přírody.
Dva: 10.1038/S41567-025-03002-8
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
