Учёные из Университета Сиднея достигли значительного прорыва в области квантовых вычислений, впервые реализовав полный набор универсальных логических операций для квантовых кодов Готтесмана–Китоева–Прескилла (GKP) исключительно с помощью одного иона в ловушке Паули. Такой подход отличается кардинальным снижением сложности, так как все операции выполняются без привлечения крупных множеств вспомогательных кубитов, что обычно является необходимым в традиционных схемах. В результате было успешно сгенерировано базовое состояние — состояние Белла, являющееся фундаментальным для реализации квантовых алгоритмов, что открывает новые возможности для масштабируемых и компактных квантовых процессоров.
Базовая идея эксперимента заключается в использовании колебаний одного иона итттербия, помещённого в ионную ловушку при комнатной температуре. В классических схемах для квантовых вычислений зачастую требуется множество отдельных атомов или ионов, каждый из которых кодирует отдельный кубит. В данной работе применена уникальная методика: два кубита записаны не в отдельных частицах, а в двух направлениях колебаний одного иона — по осям x и y. Частоты колебаний по этим осям примерно равны 1,3 МГц и 1,5 МГц, что обеспечивает высокой точностью и стабильностью. Этот метод существенно экономит ресурсы, поскольку один квантовый осциллятор становится полноценным логическим кубитом, что значительно облегчает масштабирование.
Управление вычислениями осуществлялось при помощи лазерных импульсов длиной волны 355 нм, модулируемых по фазе. Это позволило учёным точно воздействовать на квантовое состояние без искажений и потери устойчивости, что особенно важно для GKP-состояний, которые очень чувствительны к ошибкам. Разработанная схема обеспечила выполнение всех необходимых однокубитных операций — базовых поворотов и операции T, а также двухкубитной операции CZ (управляемый поворот), что в совокупности даёт полную универсальность вычислений в рамках указанной кодировки. Подготовка полного состояния занимала около 700–800 микросекунд, а выполнение логических операций — примерно от 200 до 340 микросекунд.
Точность выполнения каждой операции исследователи оценили с помощью квантовой томографии и получили показатели от 94% до 96%, что является очень высоким результатом для экспериментальных условий. Особенно важной частью работы стало демонстрация двухкубитной логики: операции CZ, выполненной за 993 микросекунды с средней точностью около 73%. Основная причина отклонений от идеального результата — случайные колебательные шумы и упрощённые режимы измерения, что указывает на возможные направления дальнейшего улучшения.
Ещё одним значимым достижением стало создание состояния Белла из вакуумного состояния за один шаг с помощью улучшенного протокола, что заняло 1,86 миллисекунды. Качественная подготовка этого ресурсоемкого квантового состояния достигла точности порядка 83%, что подтверждено численным моделированием. Такой результат свидетельствует о высокой эффективности прямого синтеза сложных квантовых состояний, ранее обычно получавшихся через более сложные процедуры.
Ключевым элементом системы стал стабильно сохраняющийся «якорной» кубит — спиновое состояние иона с очень высокой когерентностью, достигавшей 8,7 секунд, а время стабильности колебаний составляло до 50 миллисекунд. Этот фактор значительно повышает надёжность и потенциал для длительных вычислений. Кроме того, уровень нагрева ионов был очень низким — всего 0,2 кванта в секунду, что способствует более точным измерениям и меньшему уровню ошибок.
Важной особенностью методики является минимизация искажений формы GKP-состояний при реализации логических импульсов. Поскольку идеальные GKP-состояния требуют бесконечной энергии и недостижимы в реальности, у исследователей удалось существенно снизить влияние ошибок, связанных с приближенными реализациями. Анализ ошибок показал, что основными источниками остаются стабильность ловушки и тепловой шум, что подчеркивает необходимость дальнейших аппаратных усовершенствований — увеличение интенсивности лазерного взаимодействия, стабилизация ловушки и увеличение времени когерентности.
Демонстрация универсального набора ворот на платформе одного иона в ловушке — важный шаг к практическому созданию масштабируемых квантовых компьютеров. Такой подход не только снижает аппаратную сложность, но и расширяет возможности интеграции с различными архитектурами, включая гибридные схемы, сочетающие преимущества дискретных и непрерывных переменных. Это обеспечивает основу для будущих экспериментальных платформ, способных решать сложные задачи, недоступные классическим системам.
Потенциал дальнейших исследований видится в увеличении числа реализуемых кубитов, более глубокой оптимизации ошибок коррекции и повышении стабильности системы. Все эти направления направлены на подготовку к созданию практических, надёжных и масштабируемых квантовых устройств, способных полноценно реализовать алгоритмы, превосходящие возможности классической вычислительной техники. В целом, результаты данного исследования представляют собой важный вклад в развитие квантовых технологий, делая путь к практическому применению квантовых вычислений более реалистичным и обозримым.
