Попри досягнення у напрямку практичного застосування квантових комп’ютерів, квітові системи залишаються нестабільними і схильними до помилок, але Google, можливо, зробила важливий крок до їх виправлення.
Через новий квантовий чіп під назвою Willow, інженери Google досягли значного прогресу в обробці помилок. Зокрема, їм вдалося стабілізувати один логічний кубіт настільки, що помилки виникають лише раз на годину, що є величезним поліпшенням порівняно з попередніми налаштуваннями, де помилки виникали кожні кілька секунд.
Кубіти є основними одиницями квантової інформації. На відміну від класичних бітів, які можуть зберігати 1 або 0, ці кубіти можуть зберігати 1, 0 або суперпозицію обох. Така комбінація є потужним інструментом для створення алгоритмів, здатних вирішувати проблеми, які класичний комп’ютер вирішував би занадто довго або не зміг би вирішити взагалі.
На жаль, кубіти дуже делікатні, їхні суперпозиції схильні до переплутування з оточенням і втрати своїх математичних властивостей. Хоча сьогоднішні системи достатньо надійні, щоб забезпечити 99,9% надійності, для практичних систем потрібно знижувати рівень помилок до одного на трильйон.
Для боротьби з помилками у цих крихких кубітах дослідники можуть поширювати один логічний кубіт на кілька часток у суперпозиції. Однак це масштабування працює тільки тоді, коли додаткові фізичні кубіти виправляють помилки значно швидше, ніж вони їх викликають.
“Willow — це перший процесор, де кубіти, виправлені від помилок, стають експоненційно кращими, коли вони збільшуються”, — пишуть Майкл Ньюмен і Кевін Сатцингер, наукові співробітники Google Quantum AI.
“Щоразу, коли ми збільшуємо наші закодовані кубіти з 3×3 до 5×5, а потім до 7×7, рівень помилок зменшується в два рази.”
Willow має 105 фізичних кубітів, і комбінація його архітектури та алгоритмів виправлення помилок дозволила досягти стабільності, де більше кубітів означає менше помилок.
Це була проблема з моменту введення квантових методів виправлення помилок ще в середині 1990-х. Хоча до повністю реалізованого квантового обчислення ще далеко, великомасштабні квантові операції можуть стати можливими завдяки цьому підходу.
“Це демонструє експоненційне зменшення помилок, яке обіцяло квантове виправлення помилок, майже 30-річну мету квантових обчислень і ключовий елемент для розблокування великих квантових застосунків”, — пишуть Ньюмен і Сатцингер.
Стабільність — не єдина перевага Willow: Google стверджує, що вона може виконати конкретне квантове завдання за п’ять хвилин, яке потребувало б 10 септильйонів років на одному з наших найшвидших суперкомп’ютерів (це завдання було спеціально створено для квантових комп’ютерів, але воно все ж показує, що можливо).
Помилки завжди будуть існувати в квантових системах, але дослідники намагаються зробити їх настільки рідкісними, щоб квантове обчислення стало практичним. Для цього потрібно поліпшити апаратуру, додати більше кубітів і вдосконалити алгоритми.
“Виглядає так, що квантове виправлення помилок зараз працює, але існує велика різниця між помилками один на тисячу, як у сьогоденних системах, і один на трильйон, які будуть необхідні завтра”, — пишуть Ньюмен і Сатцингер.
Невідредагована попередня версія дослідження була опублікована в журналі Nature.