Квантовые компьютеры столкнулись с немарковскими ошибками

Квантовые компьютеры не будут практически полезными, пока не обретут надежную защиту от ошибок, обусловленных самим принципом их работы. Методы квантовой коррекции ошибок (QEC) быстро развиваются, но, похоже, тут возникло труднопреодолимое препятствие.

Идея QEC возникла у самых истоков квантовых вычислений. Тогда компьютеров еще не было, и ученые опирались на математику: насколько хорошо можно исправлять ошибки и какие вычисления это позволит выполнять надежно. Теперь машины работают, данные об ошибках накапливаются, и все чаще оказывается, что целые классы ошибок упускались из виду.

Кубиты ошибаются из-за чувствительности к окружающей среде. Давнее допущение — марковское — гласит, что ошибки не обладают памятью: случившиеся в разные моменты времени, они не связаны между собой. Но эффекты памяти раз за разом проявляются в экспериментах.

«Это как если бы умножение числа на 2 сейчас давало одно, а позже — другое», — сравнивает профессор Лоренца Виола из Дартмутского колледжа.

Профессор Иоан Поп из Технологического института Карлсруэ с коллегами нашел в окружении сверхпроводящего кубита долгоживущие дефекты, каждый из которых может работать как память.

«Мы прямо показываем, как это долгоживущее окружение ломает одно из допущений коррекции ошибок», — говорит он.

Похожие нарушения марковского допущения обнаружила группа Рами Барендса из Юлихского исследовательского центра на другом типе сверхпроводящего кубита.

Допущение проверяли и на уровне целых машин. В 2025 году Джон Фидель Кам из Агентства по науке, технологиям и исследованиям в Сингапуре с соавторами проанализировал ключевой эксперимент по коррекции ошибок на квантовом компьютере Google Willow. Выяснилось, что часть трудноисправимых ошибок соответствует модели, в которой марковское допущение не выполняется.

В свою очередь, Грегори Кироз из Университета Джонса Хопкинса показал, что модель с немарковскими эффектами описывает компьютер IBM в семь раз лучше стандартных моделей шума.

В IBM Quantum заверили, что переделали свои машины с учетом новых данных. «Мы продолжаем изучать немарковские эффекты на новом оборудовании», — пояснил научный сотрудник компании Алиреза Сейф.

Виола также обнаружила, что «помнящие» части окружения могут сами вести себя как квантовые системы и откликаться на кубит — это еще один тип ошибок, который QEC пока не учитывает.

Работа предварительная, но по мере роста числа кубитов ранее несущественные эффекты могут становиться влиять все сильнее. Каван Моди, один из авторов исследования Google Willow, считает, что тревогу бить рано, однако гарантий — ни теоретических, ни экспериментальных — что проблема не обострится, нет. «Есть вероятность, что коррекция ошибок не работает, потому что коррелированный шум не учли, — говорит он. — Мы не до конца знаем, где именно она ломается».

Есть теоремы, согласно которым отказоустойчивости можно достичь и с эффектами памяти, но насколько сильными могут быть корреляции, прежде чем они станут проблемой, — открытый вопрос.

«QEC можно адаптировать к немарковским ошибкам», — полагает Поп. Разработанный его группой метод измерений может помочь находить эффекты памяти в своих устройствах и обходить их. Коррелированные ошибки можно также смягчать, подстраивая алгоритмы управления и считывания, добавляет Кам.

Таким образом, исследователи настроены оптимистично. Они не считают проблему неразрешимой — при должном к ней отношении.