В классических вычислительных системах ошибки возникают из-за электрического шума, тепловых колебаний и даже космических лучей, однако наличие избыточности и возможность копирования битов позволяют своевременно обнаруживать и исправлять сбои. С кубитами ситуация значительно сложнее. Они способны находиться в суперпозиции состояний, а любое взаимодействие с окружающей средой может нарушить их квантовое состояние — процесс, известный как декогеренция.
Дополнительные ограничения накладывает теорема о запрете клонирования, согласно которой неизвестное квантовое состояние невозможно точно скопировать. Более того, прямое измерение кубита разрушает суперпозицию, что делает невозможным использование классических методов резервирования данных.
Для описания воздействия окружающей среды исследователи используют модель квантовых каналов, через которые проходит квантовая информация. Несмотря на кажущуюся бесконечную сложность шумов, большинство ошибок можно представить как комбинацию трёх фундаментальных операций Паули — X, Y и Z.
Оператор X соответствует квантовому аналогу переворота бита, Z отвечает за изменение относительной фазы квантового состояния, а Y объединяет оба типа искажений одновременно. Хотя реальные ошибки могут принимать непрерывные значения и проявляться в виде произвольных вращений на сфере Блоха, теория квантовой коррекции ошибок позволяет свести их к дискретному набору операций Паули, что значительно упрощает задачу восстановления информации.
Ещё одним важным понятием являются логические кубиты. Вместо хранения данных в одном физическом кубите информация распределяется между несколькими квантовыми элементами. Такой подход позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, не измеряя само квантовое состояние. Вместо этого система анализирует специальные признаки — синдромы ошибок, которые указывают на наличие и характер сбоя, сохраняя при этом полезную информацию.
В основе современных методов квантовой коррекции лежат стабилизаторные коды, которые контролируют определённые свойства многокубитной системы и позволяют выявлять нарушения, не разрушая квантовые данные. Именно эта идея считается одним из важнейших прорывов в квантовых вычислениях.
Учёные также опираются на теорему о пороге отказоустойчивости. Согласно ей, если вероятность ошибки физических кубитов удаётся снизить ниже определённого критического уровня, то увеличение числа кубитов и использование всё более сложных кодов коррекции позволяют подавлять логические ошибки практически до произвольно малых значений. Это открывает путь к созданию масштабируемых и устойчивых квантовых компьютеров, способных выполнять вычисления, недоступные современным классическим системам.
Источник: https://towardsdatascience.com/how-to-keep-quantum-information-alive-for-machine-learning/
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
