Квантові комп'ютери мають одну незручну проблему: вони надзвичайно ефективні у створенні помилок. Ці чудові машини можуть одного дня вирішувати задачі, які поставлять навіть найпотужніші звичайні суперкомп'ютери на коліна.
Але квантові стани, які забезпечують їхню неймовірну обчислювальну потужність, також є надзвичайно крихкими, і контроль за помилками є величезним викликом.
Насправді, повнофункціональний квантовий комп'ютер може витрачати більшість своїх ресурсів не на виконання обчислень, а на забезпечення правильності цих обчислень.
Тепер команда Google продемонструвала новий спосіб зробити квантові обчислення значно менш схильними до помилок, використовуючи техніку з приємною назвою 'вирощування магічних станів'.
"Наші результати експериментально підтверджують вирощування магічних станів як життєздатне рішення для однієї з найважливіших проблем квантових обчислень", - пишуть дослідники у статті, опублікованій в Science.
Квантові комп'ютери отримують свої незвичайні можливості з дивної фізики, яка керує частинками на найменших масштабах. У той час як біти в класичному комп'ютері представляють інформацію як один з двох станів – 1 або 0 – квантові біти, або кубіти, можуть існувати в суперпозиції обох станів, поки їх не виміряють.
Чутливість цієї суперпозиції є як силою, так і слабкістю. Квантові стани, які роблять ці машини такими потужними, можуть бути порушені найменшими перешкодами з навколишнього середовища, що вводить помилки, які можуть швидко зірвати обчислення.
Щоб контролювати ці помилки, квантові комп'ютери потребують складних систем корекції помилок, які використовують кілька фізичних кубітів для захисту інформації, закодованої в одному логічному кубіті.
Але навіть з цією захистом залишається ще одна проблема. Деякі операції, необхідні для складних квантових обчислень, набагато важче виконувати надійно, ніж інші.
Щоб вирішити цю проблему, фізики винайшли так звані 'магічні стани' – квантові стани, підготовлені заздалегідь, які дозволяють комп'ютерам виконувати складні квантові операції без компрометації їхньої корекції помилок.
Проблема в тому, що кожен магічний стан можна використовувати лише один раз, тому квантовий комп'ютер потребує постійного постачання нових.
І виготовлення магічних станів є складним завданням. Помилки можуть виникати під час підготовки магічних станів, тому дослідники традиційно покладалися на дистиляцію магічних станів, техніку, яка бере партію недосконалих магічних станів і обробляє їх, щоб отримати меншу кількість більш надійних.
Це ефективно, але може вимагати значного квантового обладнання та часу обробки.
У 2024 році дослідники Google почали працювати над ідеєю, званою вирощуванням магічних станів. Це можна уявити як теплицю. У цій аналогії дистиляція магічних станів була б схожа на вирощування цілого тепличного комплексу з трояндовими кущами, а потім використання їх для виробництва меншої кількості призових зразків.
Вирощування магічних станів, навпаки, було б схоже на вирощування лише однієї рослини, ретельно доглядаючи та підрізаючи її на шляху, щоб зробити її найкращою. Якщо на будь-якому етапі щось піде не так, рослину викидають, і починають знову з новим насінням.
Зрештою, ви отримуєте одну справді чудову рослину, і вам не потрібно було ціле теплице, щоб досягти цього. Ідея не обов'язково полягає в тому, щоб виробити кращий магічний стан, ніж традиційні методи, а в тому, щоб виробити стан порівнянної якості, використовуючи менше ресурсів.
Тепер команда Google протестувала цю ідею на своєму квантовому процесорі Willow – і результати обнадійливі.
Використовуючи вирощування магічних станів, дослідники зменшили помилки в процесі підготовки приблизно в 40 разів, виробляючи магічні стани з точністю не менше 99.99 відсотка.
Однак є компроміс. Щоб досягти такого рівня надійності, дослідники змушені були відкинути більшість своїх спроб, зберігши лише близько 8 відсотків результатів у найсуворіших запусках.
Під час процесу виникли значні дивні збої, які призвели до ще одного невеликого прориву.
Критично важливою частиною демонстрації квантової техніки є доведення того, що вона спрацювала. З вирощеним магічним станом це особливо складно – як точно виміряти щось з такою малою кількістю помилок?
Коли квантовий фізик Google Емма Розенфельд вперше протестувала техніку вирощування, результати, здавалося, суперечили законам фізики. Це зайняло місяці розслідувань, щоб простежити проблему до самого методу вимірювання точності стану. Невеликі коливання в лабораторному обладнанні, включаючи зміни температури, вводили шум, який робив звичайний підхід команди ненадійним.
Дослідники врешті-решт розробили нову техніку, звану томографією зворотного зв'язку, яка дозволила їм оцінити надійність вирощених станів без спотворень, які заважали їхнім попереднім вимірюванням.
Нарешті команда продемонструвала, що їхній вирощений магічний стан можна перенести в більший код корекції квантових помилок – важливий крок до його використання в реальних квантових обчисленнях.
Це не було повним успіхом – більший код вводив додаткові помилки – але це буде наступна частина головоломки, яку потрібно вирішити.
Проте результати показують, що вирощування магічних станів може працювати на реальному квантовому обладнанні, пропонуючи обнадійливу альтернативу ресурсомістким методам, на які дослідники змушені були покладатися.
"Врешті-решт, ці результати перетворюють вирощування магічних станів з теоретичного дослідження в експериментальну реальність, забезпечуючи практичний шлях до універсальної логіки в надпровідникових процесорах", - пишуть дослідники.
Цікавий факт
Квантові комп'ютери можуть виконувати обчислення, які є недоступними для класичних комп'ютерів, завдяки своїй здатності обробляти величезні обсяги даних одночасно.