Попри досягнення у напрямку створення практичних квантових комп’ютерів, системи, що базуються на кубітах, залишаються нестабільними та дуже вразливими до помилок. Проте Google, можливо, зробив значний крок до вирішення цієї проблеми.
Завдяки новому квантовому чіпу під назвою Willow інженери Google досягли важливого прориву в обробці помилок. Зокрема, вони змогли забезпечити стабільність одного логічного кубіта настільки, що помилки трапляються приблизно раз на годину. Це суттєве покращення порівняно з попередніми системами, де помилки виникали кожні кілька секунд.
Кубіти є основними елементами квантової інформації. На відміну від класичних бітів, які можуть зберігати лише 1 або 0, кубіти здатні зберігати 1, 0 або їхню суперпозицію. Це відкриває можливості для розробки алгоритмів, які дозволяють розв’язувати завдання, які класичні комп’ютери не змогли б виконати або виконали б за надто великий час.
На жаль, кубіти є надзвичайно крихкими і схильними до взаємодії з навколишнім середовищем, що порушує їхні математичні властивості. Сучасні системи забезпечують надійність у 99.9%, але для практичного використання квантових комп’ютерів потрібна частота помилок на рівні однієї на трильйон.
Щоб протидіяти помилкам, дослідники можуть розподілити один логічний кубіт серед декількох фізичних кубітів у стані суперпозиції. Однак цей метод працює лише тоді, коли додаткові фізичні кубіти виправляють помилки швидше, ніж створюють їх.
“Willow – це перший процесор, у якому кількість помилок експоненційно зменшується зі збільшенням розміру квантової решітки,” пишуть Майкл Ньюман і Кевін Сатзінгер, науковці Google Quantum AI.
“Кожного разу, коли ми збільшуємо кількість кодувальних кубітів із 3×3 до 5×5, а потім до 7×7 фізичних кубітів, рівень помилок зменшується вдвічі.”
Willow містить 105 фізичних кубітів, а його архітектура в поєднанні з алгоритмами корекції помилок забезпечує високу стабільність – збільшення кількості кубітів зменшує кількість помилок.
Це стало вирішенням проблеми, яка існує з 1990-х років, коли вперше були запропоновані методи квантової корекції помилок. Хоча до повноцінних квантових обчислень ще далеко, цей підхід може зробити масштабні квантові операції можливими.
“Це демонструє експоненційне зменшення помилок, обіцяне квантовою корекцією, що є ключовим елементом для створення великих квантових застосунків,” зазначають Ньюман і Сатзінгер.
Стабільність – не єдина перевага Willow. За словами Google, чіп може виконувати конкретне квантове завдання за п’ять хвилин, тоді як одному з найшвидших суперкомп’ютерів світу знадобилося б 10 септильйонів років.
Хоча помилки завжди будуть існувати у квантових системах, метою дослідників є зробити їх настільки рідкісними, щоб квантові обчислення стали практичними. Це потребує покращеного обладнання, більшої кількості кубітів та вдосконалених алгоритмів.
“Квантова корекція помилок почала працювати, але між сьогоднішніми показниками одна на тисячу та завтрашніми цілями одна на трильйон залишається велика прірва,” пишуть Ньюман і Сатзінгер.
Невідредагована попередня версія дослідження була опублікована в журналі Nature.
