Эксперимент доказал реальность квантового компьютера, исправляющего свои ошибки

Квантовый компьютер способен проверять свое внутреннее состояние и реагировать на изменения прямо во время работы, многократно сбрасывая отдельные части системы, чтобы взять под контроль усиление хаоса. Эксперимент, который стал шагом к квантовому компьютеру, автоматически исправляющему свои ошибки, провели на 156-кубитной машине IBM, с результатами его можно ознакомиться на страницах Nature Physics.

Он стал одной из на сегодня демонстраций управления квантовой обратной связью в реальном времени — неотъемлемой части будущей отказоустойчивости. Состояние кубитов не может не нарушаться — из-за помех, тепловых флуктуаций, в процессе считывания — поэтому масштабирование квантовых компьютеров неизбежно потребует от них умения находить и исправлять ошибки прямо во время работы.

«Чтобы построить отказоустойчивый квантовый компьютер, мы должны проводить эти проверки и исправления не один-два раза, а огромное множество раз за время вычисления. Наш эксперимент — веха на этом пути», — говорит профессор Джедедайя Пиксли из Ратгерского университета, старший автор работы.

В споре рождается истина

Проект начался с разговора на дне рождения жены Пиксли в 2021 году, когда он жил в другом городе. Его давний коллега Шрирам Ганешан заявил, что у одного загадочного квантового эффекта есть аналог в обычной физике. Вспыхнул спор, выросший в теорию управления квантовым хаосом. Теории помогли обрести практическое воплощение — сначала в виде симуляций на обычном компьютере, потом представилась возможность провести опыт на квантовом.

«Задача состояла не просто в том, чтобы измерить кубит, а в том, чтобы делать это многократно, пока остальная часть процессора продолжает работать. Этот эксперимент показывает, что современное оборудование способно согласованно выполнять квантовые операции, измерения и сбросы тысячи раз в большой системе», — объясняет еще один старший автор исследования Майка Такита из IBM.

Эксперимент проводили на 156-кубитном процессоре IBM Quantum Heron — одном из самых мощных квантовых процессоров в мире, — выбрав связанную цепочку из 100 кубитов. Систему запрограммировали так, чтобы она попеременно выполняла две конкурирующие задачи

• Первая — скремблер (от англ. scramble — «перемешивать»): она перемешивала информацию между соседними кубитами, распространяя хаос по системе. Процесс напоминает многократное тасование колоды карт. С каждым тасованием исходный порядок распознать все труднее.
• Вторая задача служила средством контроля: компьютер проверял отдельные кубиты и при необходимости сбрасывал их. Если повторять сбросы достаточно часто, они подталкивали систему к простому упорядоченному состоянию, выбранному исследователями.

Всего экспериментаторы выполнили почти 5000 операций, связывающих пары кубитов, а также почти 5000 проверок и сбросов. По их словам, это была крупнейшая успешная демонстрация такого подхода на сегодня.

Ученые управляли тем, как часто компьютер выполняет каждую задачу. Меняя этот баланс, можно наблюдать, что возьмет верх — перемешивание или сброс.

Когда перемешивание происходило чаще чем в половине случаев, побеждал хаос, и система оставалась хаотичной. Когда проверки и сбросы происходили чаще, побеждал контроль, и исследователи могли направлять кубиты к нужному упорядоченному состоянию.

Фазовый переход

При соотношении примерно 50 на 50 небольшое изменение в том, какая задача выполнялась чаще, внезапно меняло всю систему. Такой перелом похож на фазовый переход — например превращение воды в лед. Здесь кубиты сообща переходили от хаотического поведения к состоянию, которое исследователи могли контролировать.

«Малые изменения могут приводить к большим и почти непредсказуемым последствиям — что-то сродни эффекту бабочки. Но ставшее неуправляемым поведение можно взять под контроль, случайным образом вмешиваясь, и есть четко определенная частота, при которой это происходит. Было неочевидно, что этот переход между хаосом и контролем сохранится в квантовой физике, а наши результаты показывают, что он сохраняется», — подчеркивает физик Джастин Уилсон из Университета штата Луизиана, соавтор исследования.

«Поразительно, что переход становился все более четко выраженным с ростом изучаемых систем. Совпадение результатов эксперимента и теории показало, что это не случайная особенность малой схемы. Это коллективное поведение, возникающее во всей квантовой системе», — добавляет один из первых авторов работы Хайнин Пан из Ратгерского университета.

Таким образом, спор Пиксли проиграл — в связи с чем, как и обещал, угостил Ганешана черничным мороженым, когда тот присоединился к работе.