Физики предложили способ считывать квантовую информацию, почти не нарушая состояние кубита. Вместо того чтобы измерять его напрямую или использовать дополнительный кубит-посредник, исследователи предлагают анализировать электрический сверхток, который возникает в самой квантовой системе. Компьютерное моделирование показало точность восстановления состояния до 99,85%, однако экспериментально метод пока не проверен.

Работа посвящена особому типу квантовых битов — кубитам Андреева. Исследование, поддержанное фондом FAPESP, опубликовано в Physical Review B Letters. Его авторы — Жозе Карлос Эгес из Института физики Сан-Карлоса Университета Сан-Паулу в Бразилии и Юйгуй Яо из Пекинского технологического института в Китае, рассказывает Scence Daily.

Почему квантовую информацию трудно измерить

Обычный компьютер хранит данные в битах, которые принимают одно из двух значений — 0 или 1. Их можно считывать многократно, не меняя исходную информацию. Квантовые компьютеры используют кубиты, способные находиться не только в состояниях 0 и 1, но и в их суперпозиции — особом квантовом сочетании двух вариантов.

Именно суперпозиция лежит в основе потенциальных преимуществ квантовых вычислений. Но она же создает проблему: измерение кубита может изменить его состояние. При прямом измерении суперпозиция обычно разрушается, и вместе с ней теряется информация о первоначальном квантовом состоянии.

Чтобы обойти это ограничение, физики разработали методы так называемых квантовых недемолирующих измерений. Во многих из них используется дополнительная квантовая система — анцилла. Сначала информация переносится с основного кубита на вспомогательный, а затем измеряется уже анцилла.

Такой подход позволяет меньше воздействовать на исходный кубит, но усложняет эксперимент. Необходимо подготовить дополнительную систему, связать ее с основным кубитом, передать информацию и провести измерения. При увеличении числа кубитов эти операции требуют все больше оборудования и времени.

Авторы новой работы предлагают отказаться от такого посредника: получать сведения о состоянии кубита из сигнала, который производит сама квантовая система.

Кубит Андреева создает собственный электрический сигнал

В основе метода лежит кубит Андреева. Его название связано с физиком Александром Андреевым, который в 1964 году описал особый квантовый процесс на границе обычного материала и сверхпроводника.

Сверхпроводники при определенных условиях проводят электрический ток без сопротивления. На границе таких материалов могут возникать особые квантовые состояния — состояния Андреева. В рассматриваемой системе они формируются в чрезвычайно малой области между двумя сверхпроводниками.

Эта область представляет собой квантовую точку — наноструктуру, в которой электроны ограничены в пространстве. В исследовании она образована в нанопроводе из арсенида индия (InAs), соединенном со сверхпроводящими материалами с обеих сторон. Квантовые состояния в такой структуре могут кодировать значения 0 и 1, а также их суперпозиции.

Ключевую роль играет сверхток — электрический ток, который течет в сверхпроводящей системе без сопротивления. Согласно расчетам исследователей, когда кубит Андреева находится в суперпозиции, в сверхтоке появляется колеблющаяся во времени составляющая.

Эти колебания возникают из-за квантовой интерференции между состояниями, составляющими суперпозицию. Они не случайны: характер изменений тока зависит от того, в каком состоянии находится кубит. Поэтому электрический сигнал может служить своеобразной подписью хранящейся в нем информации.

Как по колебаниям тока восстановить состояние кубита

Для описания состояния кубита физики часто используют сферу Блоха. Каждому чистому состоянию одного кубита соответствует точка на поверхности этой сферы. Ее положение определяется двумя углами: один описывает соотношение состояний 0 и 1 в суперпозиции, другой — их относительную фазу.

Авторы исследования показали, что оба параметра можно получить из характеристик сверхтока. Его постоянная составляющая и амплитуда колебаний позволяют определить, в какой пропорции состояния 0 и 1 входят в суперпозицию. Момент начала колебаний, в свою очередь, содержит сведения об их относительной фазе.

Таким образом, наблюдая за изменением тока во времени, можно восстановить исходное состояние кубита. Для этого не требуется непосредственно проводить измерение самого квантового бита.

У предлагаемого эффекта есть и еще одна особенность: колебания сверхтока возникают без внешнего напряжения. Обычно переменный сверхток в подобных сверхпроводящих системах связан с напряжением — это явление известно как переменный эффект Джозефсона. В модели исследователей источник колебаний иной: они появляются естественным образом в ходе собственной квантовой эволюции кубита.

Иными словами, система сама превращает изменения своего квантового состояния в электрический сигнал, который можно зарегистрировать с помощью внешнего прибора.

Считывание с помощью сверхчувствительного датчика

Для практической реализации авторы предлагают поместить кубит Андреева в замкнутую сверхпроводящую цепь, по которой сверхток сможет циркулировать непрерывно. Рядом с ней должен находиться SQUID — сверхпроводящий квантовый интерферометр, способный обнаруживать чрезвычайно слабые магнитные поля.

Любой электрический ток создает магнитное поле. Поскольку сверхток в предлагаемой системе колеблется, изменения будут происходить и с окружающим его магнитным полем. SQUID сможет регистрировать эти слабые колебания и по ним определять характеристики тока, а затем — восстанавливать состояние кубита.

Важное условие — слабое взаимодействие датчика с измеряемой системой. Оно позволяет получать информацию, сводя к минимуму обратное воздействие измерительного прибора на кубит. Эгес сравнивает такую конструкцию с двумя компасами: один соответствует кубиту, другой — SQUID, который улавливает магнитное поле, создаваемое током в цепи.

Полностью устранить влияние измерения метод не обещает. Датчик все равно взаимодействует с системой, а его воздействие может немного изменить состояние кубита. Однако компьютерное моделирование показало, что эту обратную связь можно сделать настолько слабой, что ее влияние окажется практически пренебрежимым.

Еще одно преимущество предложенной схемы — возможность многократно наблюдать за изменением состояния без необходимости каждый раз возвращать кубит к исходному состоянию. Это позволило бы отслеживать квантовую эволюцию системы во времени, а не получать отдельные результаты после циклов измерения и повторной подготовки.

Точность до 99,85% — пока только в расчетах

Чтобы оценить работоспособность метода в условиях, приближенных к реальному эксперименту, исследователи провели компьютерное моделирование. В расчетах учитывались шум измерений и небольшая обратная связь, возникающая из-за измерительной катушки.

В зависимости от количества измерений точность восстановления состояния составила 99,52%, 99,81% и 99,85%. По оценке авторов, такие показатели укладываются в стандартные пороговые значения, используемые в схемах квантовой коррекции ошибок.

Тем не менее эти результаты пока нельзя считать демонстрацией работающего устройства. Исследование основано на теоретическом анализе и компьютерных расчетах. Экспериментально проверить, удастся ли получить сопоставимую точность в физической системе, еще предстоит.

При этом авторы подчеркивают, что их предложение не требует создания принципиально новых материалов или приборов. В расчетах использованы параметры существующих квантовых систем, а SQUID уже применяется для регистрации чрезвычайно слабых магнитных полей и токов. Главная нерешенная задача — собрать компоненты в предложенной конфигурации и подтвердить предсказанное поведение системы.

Если эксперименты подтвердят результаты, считывание информации из кубитов Андреева может стать проще: без дополнительных кубитов-посредников и постоянных циклов сброса состояния. Но значение работы не ограничивается возможным сокращением сложности квантовых компьютеров. Она предлагает способ связать внутреннюю квантовую динамику системы с измеримым электрическим сигналом — и тем самым приблизиться к считыванию хрупкой квантовой информации с минимальным вмешательством.