Впервые в истории квантовых технологий учёные из Университета Сиднея осуществили важный прорыв — они полностью реализовали набор универсальных логических операций для квантовых кодов Готтесмана–Китоева–Прескилла (GKP), используя при этом исключительно одного иона в ловушке Пола. Этот эксперимент стал значимой вехой в области квантовых вычислений, так как подобные операции обычно требуют больших масштабов физических систем с множеством кубитов. Здесь же всё было выполнено без привлечения многочисленных вспомогательных кубитов и с минимальными затратами физических ресурсов. В результате удалось непосредственно получить состояние Белла — одно из базовых состояний в квантовой информатике, что свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого метода.
Ключевая особенность этого подхода — использование колебаний одного иона иттербия в ионной ловушке при комнатной температуре. В классических системах квантовых вычислений для реализации полного набора логических операций требуются сотни или даже тысячи отдельных атомов или ионов, каждый из которых играет роль одного кубита. В данном случае оба логических кубита были «записаны» не в отдельных частицах, а в двух взаимно перпендикулярных режимах колебаний одного иона по направлениям x и y. Эти режимы имели частоты порядка 1,3 и 1,5 МГц, что значительно уменьшает общие физические требования к системе и повышает её масштабируемость. Такой «экономный» подход позволяет использовать один квантовый осциллятор для выполнения всех необходимых логических операций, что делает платформу более компактной и удобной для дальнейших масштабных разработок.
Область управления вычислительными процессами реализовывалась с помощью лазерных импульсов с длиной волны 355 нанометров. Путём точной модуляции фаз лазерных импульсов учёные могли осуществлять высокоточечное воздействие на квантовое состояние системы. Разработанная схема позволила проводить логические операции без искажения информации или потери её устойчивости — проблема, которая возникает при не оптимизированных операциях из-за конечных уровней энергии GKP-состояний. В ходе эксперимента были реализованы все основные одномеренческие операции, необходимые для универсальных вычислений: повороты и операция T, которая вместе с двухкубитной связью обеспечивает полноту набора элементарных ворот. Подготовка нужных начальных состояний и выполнение логических операций занимали порядка сотен микросекунд, а точность их выполнения, судя по квантовой томографии, достигала 94-96%. Это высокий показатель для подобной сложной и чувствительной к шумам системы.
Особое значение имеют эксперименты с двухкубитной логикой, в частности операция CZ (управляемый поворот), выполненная за три последовательных этапа, суммарно за около 1 миллисекунды. Средняя точность этой операции — 73%, что является достойным результатом для первого опыта подобного рода. Основными источниками ошибок стали случайные изменения частот колебаний и упрощенная схема измерений, выбранные по соображениям скорости. Это показывает, что дальнейшее усовершенствование аппаратных условий и методов измерения способно значительно повысить качество выполнения двухкубитных ворот.
Одним из важнейших достижений стало создание состояния Белла за один шаг, основываясь на улучшенном протоколе — на это ушло менее двух миллисекунд. Уровень логической точности достиг около 83%, а численное моделирование подтвердило его приближенность к теоретическому идеалу. Такой результат демонстрирует, что прямой синтез ресурсных состояний становится всё более эффективным и может заменить более сложные технологии, ранее требовавшие многократных операций.
Особого внимания заслуживает использование в системе «якорного» кубита — спинового состояния иона, которое обладает длительным временем когерентности, до 8,7 секунд, и высокой стабильностью. Это обеспечивает длительное хранение квантовых свойств системы и способствует повышению точности и надежности вычислений. Также было отмечено очень низкое нагревание системы — всего 0,2 кванта в секунду, что существенно улучшает параметры измерений и уменьшает уровень ошибок, вызванных тепловыми шумами.
Важное достижение — минимизация искажения формы GKP-состояний в процессе реализации логических операций. Идеальные GKP-состояния требуют бесконечной энергии, что невозможно, и любые реальные реализации вызывают определённые отклонения и ошибки. Оптимизация протоколов позволила снизить их влияние, что делает систему более устойчивой к ошибкам и приближает её к практическому внедрению.
Авторы работы также подробно проанализировали источники ошибок, среди которых стабильность ионной ловушки и тепловой шум в начальный момент эксперимента. В перспективе планируются аппаратные улучшения высокого уровня — увеличение интенсивности взаимодействия лазера с ионом, стабилизация ловушки и продление когерентных характеристик. По оценкам исследователей, эти меры могут снизить вероятность ошибок в ведь по крайней мере в разы, что приблизит систему к её теоретическим пределам и откроет путь к масштабируемым квантовым вычислительным платформам.
Данная работа является важным шагом к реализации универсальных ворот для GKP-кубитов на базе одной ионической системы и демонстрирует жизнеспособность подобного подхода. В рамках развития квантовых технологий, подобные методики предложены для широкого применения в различных архитектурах будущих квантовых компьютеров, что делает их очень перспективными. Использование одного осциллятора на кубит значительно сокращает требуемую аппаратную сложность по сравнению с традиционными системами с множеством частиц, что открывает новые горизонты для разработки компактных, масштабируемых и эффективных квантовых устройств.
Результаты показывают потенциал создания гибридных схем, где достоинства дискретных и непрерывных переменных интегрируются для достижения превосходных характеристик. В ближайших планах у исследователей — увеличение числа кубитов, дальнейшие разработки протоколов коррекции ошибок и повышение стабильности системы. Все это способствует формированию платформы для построения квантовых компьютеров нового поколения — более устойчивых, простых и дорогих в реализации, способных решать задачи, ранее недостижимые классическими системами. В итоге, данная работа не только подтверждает возможность реализации универсальных логических операций на миниатюрных ионах, но и закладывает фундамент для практических масштабируемых квантовых вычислительных систем.
