Новый чип Google может решить одну из самых больших проблем квантовых вычислений
Несмотря на успехи, достигнутые в практическом применении квантовых компьютеров, системы на основе кубитов остаются нестабильными и очень уязвимыми к ошибкам, и Google, возможно, предпринял важный шаг к исправлению.
Благодаря недавно представленному квантовому чипу Willow инженеры Google преодолели важный этап в обработке ошибок. В частности, им удалось поддерживать один логический кубит достаточно стабильным, поэтому ошибки возникают, возможно, раз в час, что является огромным улучшением по сравнению с предыдущими настройками, которые давали сбой каждые несколько секунд.
Кубиты — это основные строительные блоки квантовой информации. В отличие от битов классических вычислений, которые могут хранить 1 или 0, эти кубиты могут хранить 1, 0 или суперпозицию обоих. Эта комбинация представляет собой мощный инструмент для разработки алгоритмов, способных решать проблемы, на решение которых классическому компьютеру потребовалось бы слишком много времени, если бы он вообще мог с этим справиться.
К сожалению, кубиты — хрупкие вещи, их суперпозиции склонны запутываться в окружающей среде и терять свои математические свойства. Хотя современные системы достаточно надежны, чтобы гарантировать надежность 99,9 процентов, практическим системам необходимо, чтобы частота ошибок была ближе к одной на триллион.
Чтобы противостоять ошибкам в этих хрупких кубитах, исследователи могут распределить один логический кубит по нескольким частицам в суперпозиции. Однако такое масштабирование работает только в том случае, если дополнительные физические кубиты исправляют ошибки заметно быстрее, чем создают их.
«Willow — первый процессор, в котором кубиты с исправлением ошибок становятся экспоненциально лучше по мере их увеличения», — пишут Майкл Ньюман и Кевин Сатцингер, ученые-исследователи из команды Google Quantum AI.
«Каждый раз, когда мы увеличиваем наши закодированные кубиты с 3×3 до 5×5 и до 7×7, решетка физических кубитов частота ошибок кодирования снижается в два раза.»
Willow имеет 105 физических кубитов, а сочетание его архитектуры и используемых алгоритмов исправления ошибок привело к его успеху с точки зрения стабильности – больше кубитов означает меньше ошибок.
Эта проблема возникла с тех пор, как в середине 1990-х годов впервые были представлены методы квантовой коррекции ошибок. Хотя до полной реализации квантовых вычислений предстоит еще долгий путь, крупномасштабные квантовые операции, по крайней мере, могут быть осуществимы при таком подходе.
«Это демонстрирует экспоненциальное подавление ошибок, обещанное квантовой коррекцией ошибок, почти 30-летней целью квантовых вычислений и ключевым элементом для открытия крупномасштабных квантовых приложений», — пишут Ньюман и Satzinger.
Стабильность — не единственное преимущество Willow: Google заявляет, что способен выполнить определенный такт задачу за пять минут, на решение которой у одного из наших самых быстрых суперкомпьютеров ушло бы 10 септиллионов лет (эта задача создана специально для квантовых компьютеров, но она все равно показывает, на что возможно).
Ошибки всегда будут существовать в квантовых системах, но исследователи стремятся сделать их достаточно редкими, чтобы квантовая обработка стала практичной. Для этого потребуется лучшее оборудование, больше кубитов и обновленные алгоритмы.
«Квантовая коррекция ошибок выглядит так, как будто она работает. сейчас, но существует большой разрыв между уровнем ошибок один на тысячу сегодня и уровнем ошибок один на триллион, который потребуется завтра», — пишут Ньюман и Сатцингер.
неотредактированная предварительная версия исследования опубликована в журнале Nature.
