Учёные из Университета Сиднея впервые выполнили полный набор универсальных логических операций для квантовых кодов Готтесмана–Китоева–Прескилла (GKP) — только средствами одного иона в ловушке Паули. Операции проведены без привлечения многочисленных «вспомогательных» кубитов, а итогом стала прямая генерация одного из базовых состояний — состояния Белла. Такой подход делает квантовый компьютер потенциально проще и компактнее и может стать платформой для практических масштабируемых квантовых вычислений.
В основе работы лежит использование колебаний одного иона итттербия, который находился в ионной ловушке при комнатной температуре. В классических схемах квантовые вычисления обычно требуют больших множеств отдельных атомов или ионов, каждый из которых кодирует один кубит. Здесь же оба кубита были записаны не в отдельных частицах, а в двух колебательных режимах одного иона: по направлениям x и y. Частота колебаний по этим направлениям составляла примерно 1,3 и 1,5 мегагерца соответственно (это около полутора миллионов колебаний в секунду). Такой метод позволяет «экономить» физические ресурсы: один квантовый осциллятор играет роль полного логического кубита. Для классических кодов коррекции ошибок на каждый один логический кубит требуется целая группа физических кубитов.
Управление вычислениями осуществлялось с помощью лазерных импульсов с длиной волны 355 нанометров. Модулируя их фазы, учёные могли точно воздействовать на квантовое состояние. Разработанная схема позволила проводить логические операции без искажения информации и потери устойчивости состояний (такой риск возникает, если операции не оптимизированы для реальных, конечной энергии, GKP-состояний).
В ходе эксперимента была реализована вся «логическая азбука» однокубитных операций, необходимых для универсальных вычислений: базовые повороты и дополнительная операция T, которая вместе с двукубитной связью обеспечивает теоретическую полноту операций. Подготовка нужного состояния занимала около 700–800 микросекунд, а сами логические операции — примерно 200–340 микросекунд. При этом точность выполнения каждой из этих операций, оценённая с помощью квантовой томографии (это особый способ проверки того, насколько результат соответствует ожидаемому), составила от 94% до 96%.
