Автор: Денис Аветисян
Новое исследование демонстрирует парадигмальный сдвиг в подходе к квантовым вычислениям. Ранее считавшиеся источником ошибок приближенные состояния Готтсмана-Китаева-Прескилла (GKP), подверженные шуму и затуханию, теперь рассматриваются как ценный ресурс для реализации универсальных квантовых вычислений в системах с непрерывными переменными. Этот подход позволяет преодолеть фундаментальное ограничение идеальных GKP-состояний, требующих бесконечной энергии и потому недостижимых на практике.
Ключевым достижением работы стала демонстрация возможности телепортации квантовых логических вентилей (гейтов). Это означает, что квантовую информацию и операции над ней можно передавать на расстояние без физического перемещения кубитов, что открывает перспективы для создания распределенных квантовых сетей и компьютеров. В частности, показано, что фоковски-демпфированные GKP-состояния позволяют телепортировать не только стандартные клиффордские гейты, но и неклиффордские, которые необходимы для достижения универсальности квантовых вычислений.
Исследование под названием 'Realistic GKP stabilizer states enable universal quantum computation' опровергает устоявшийся взгляд. Оно доказывает, что неидеальные, нормализуемые состояния GKP, создаваемые с помощью линейно-оптических элементов, могут служить ресурсом для реализации сложных операций. Основной механизм основан на использовании исключительно гауссовых операций и гомодинных измерений в рамках парадигмы квантовых вычислений на основе измерений (MBQC). Это ставит под вопрос необходимость создания идеальных состояний и смещает фокус на управление несовершенствами, приближая нас к созданию практичных и масштабируемых квантовых компьютеров нового типа.
Устойчивость вместо идеальности: Кодирование на основе GKP
Одной из главных проблем квантовых вычислений остается чувствительность к шумам и декогеренции. Коды GKP предлагают элегантное решение, кодируя информацию дискретного кубита в непрерывные степени свободы квантовой системы (например, в квадрaтуры электромагнитного поля). Такое кодирование потенциально обеспечивает более высокую устойчивость к определенным типам ошибок по сравнению с чисто дискретными подходами. Важнейший вывод нового исследования заключается в том, что даже приближенные к идеалу состояния, такие как фоковски-демпфированные GKP, сохраняют способность поддерживать универсальные вычисления, доказывая удивительную живучесть этого метода кодирования.
Управление квантовыми состояниями в непрерывном пространстве
Для манипуляций с состояниями непрерывных переменных (CV) широко используются так называемые гауссовы операции — линейные преобразования, реализуемые, например, с помощью лучеделителей и фазовых сдвигателей. Однако для универсальности квантового компьютера этого набора недостаточно — требуются не-гауссовы операции. Работа показывает, что сами приближенные состояния GKP, будучи не-гауссовым ресурсом, позволяют преодолеть этот барьер. Это значительно снижает требования к экспериментальной точности, так как вместо создания сложных не-гауссовых гейтов «в лоб» можно использовать более доступные несовершенные GKP-состояния в комбинации с простыми гауссовыми операциями.
Вычисления через измерения: MBQC-подход с CV
Парадигма квантовых вычислений на основе измерений (MBQC) предлагает альтернативный путь: вместо прямого применения последовательности гейтов к кубитам, вычисление выполняется путем проведения измерений над заранее подготовленным крупномасштабным запутанным состоянием, называемым кластерным. В контексте непрерывных переменных для создания таких ресурсных состояний и манипуляций с ними используются балансировочные лучеделители, фазовые сдвигатели и гомодинные измерения. Математический аппарат, включающий функции Якоби, оказывается ключевым для описания и контроля над этими сложными многомодовыми состояниями.
Достижение универсальности: роль магических состояний
Чтобы квантовый компьютер мог решать любую вычислительную задачу, ему необходимы неклиффордовские гейты (например, гейт T). Их реализация часто требует приготовления специальных «магических состояний» — высокоэнтропийных нестабилизаторных состояний. Исследование демонстрирует, как интеграция трех элементов — кодов GKP для кодирования, MBQC-архитектуры для выполнения операций и процедур дистилляции магических состояний — создает полноценный путь к отказоустойчивым универсальным вычислениям. Особенно важно, что это достигается через механизм телепортации гейтов с использованием рационально подобранных параметров, что упрощает практическую реализацию.
Обратите внимание: Вытеснят ли новые материалы пружины из матраса.
Представленная работа знаменует собой важный концептуальный поворот. Она показывает, что фоковски-демпфированные GKP-состояния — далекие от идеала — становятся не помехой, а строительным блоком для универсальных квантовых вычислений. Этот подход позволяет телепортировать полный набор логических операций в системах с непрерывными переменными. Как метко заметил Луи де Бройль: «Всякое явление можно рассматривать как распространение волны, а каждую волну — как скопление частиц». Новая методология предлагает рассматривать несовершенства и шум не как дефекты частицы-состояния, а как неотъемлемую часть его волновой природы, которую можно использовать себе на благо для расширения границ квантовых технологий.
Перспективы и открытые вопросы
Полученные результаты меняют само восприятие GKP-состояний, превращая их из источника проблем в ключевой ресурс. Однако путь от теоретической демонстрации к практической реализации полномасштабного квантового компьютера еще долог. Остается множество открытых вопросов для будущих исследований. Необходимо детально изучить, как различные типы затухания (помимо рассмотренного фоковского) влияют на точность операций, особенно телепортации неклиффордовских гейтов. Требуют разработки эффективные протоколы коррекции ошибок, адаптированные specifically для этой архитектуры.
Важным направлением станет поиск оптимальных стратегий генерации и поддержания GKP-состояний с учетом реалий современных лабораторных установок. Ключевым технологическим вызовом будет масштабирование системы до сотен и тысяч кубитов при сохранении когерентности и управляемости. Глубокое понимание пределов устойчивости таких состояний к разным формам декогеренции позволит спроектировать более надежные и эффективные аппаратные платформы.
В конечном счете, эта работа заставляет переосмыслить саму философию квантовых ресурсов. Вместо изнурительной погони за недостижимыми идеалами, возможно, будущее лежит в искусном использовании доступных, пусть и несовершенных, состояний, превращая их недостатки в функциональные преимущества. Именно в этом умении работать с реальностью, а не с абстракцией, может скрываться прорыв к следующему поколению квантовых устройств.
Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.03874.pdf
Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/
Больше интересных статей здесь: Производство.
Источник статьи: Квантовые вычисления обретают новые возможности благодаря GKP-состояниям.