«Магические состояния» увеличили точность квантовых вычислений в 40 раз
Обеспечение отказоустойчивости квантовых компьютеров — одна из главных проблем этой технологии. Исследователи из Google Quantum AI продемонстрировали один из способов решить ее эффективнее. Эксперимент, с результатами которого можно ознакомиться в Science, позволяет предположить, что небольшие квантовые компьютеры, которые появятся в ближайшие годы, будут полезнее, чем ожидалось.
Квантовые компьютеры способны выполнять математические операции — аналоги сложения или умножения, — недоступные обычным вычислителям. Это делает их пригодными для решения задач, которые прежде считались неразрешимыми, например лежащих в основе криптографии.
Среди выполняемых такими машинами квантовых операций важнее всего неклиффордовы гейты — ключевые компоненты алгоритмов, выходящих за рамки классических вычислений.
Но есть загвоздка. Квантовые компьютеры крайне подвержены ошибкам, и чтобы сделать их работу хоть сколько-нибудь полезной, кубиты приходится объединять в логические кубиты, в которых ошибки автоматически исправляются. Реализация неклиффордовых гейтов с коррекцией ошибок требует огромного числа кубитов — а значит, нужно строить очень большие квантовые компьютеры.
В Google Quantum AI разработали более эффективный алгоритм коррекции ошибок и запустили его на сверхпроводящем процессоре Willow. Новый метод повысил точность квантовых вычислений в 40 раз.
В основе разработки лежит идея «магического состояния» — особого квантового состояния, которое кубиты должны принять, прежде чем компьютер сможет выполнять неклиффордовы операции с коррекцией ошибок.
Создание таких состояний до сих пор было настоящим узким местом квантовых вычислений, говорит ведущий автор исследования Эмма Розенфельд: «Это съедает уйму кубитов и времени».
В 2024 году ее коллеги из Google Quantum AI предложили более эффективный метод создания магических состояний — «культивирование магических состояний». Вместо того чтобы многократно объединять и преобразовывать множество неидеальных кубитов в магическое состояние, которое затем используется для выполнения операции с коррекцией ошибок, здесь магическое состояние «выращивается» внутри небольшого участка кубитов.
Исследователи Google показали, что культивирование магических состояний теоретически позволяет квантовым компьютерам выполнять значимые программы всего с одной десятой от ожидавшегося числа кубитов. Новый эксперимент доказал практическую возможность культивирования магических состояний.
Магические состояния в квантовых вычислениях применяются не впервые — ранее они были реализованы на квантовых компьютерах с кубитами на ионах. Кубиты Willow достигли частоты ошибок, сравнимой с теми экспериментами, но, по словам Розенфельд, они работают быстрее, что потенциально сокращает общее время работы компьютера.
Число ошибок Willow нужно еще снижать, прежде чем компьютер сможет решать по-настоящему полезные задачи, считает специалист по квантовым технологиям Чжэньюй Цай из Имперского колледжа Лондона.
К тому же только 8% вычислений дали магические состояния высокого качества, которые можно было использовать дальше, добавляет профессор Айзек Ким из Калифорнийского университета в Дэвисе.
Эта доля должна вырасти по мере усовершенствования алгоритма и аппаратного обеспечения Willow, заверила Розенфельд. Свою роль сыграл и очень строгий бенчмаркинг, от которого, возможно, откажутся в дальнейших экспериментах.
«Это первая демонстрация концепции. Мы еще не закончили», — заключила она.
