Новий чіп Google може зламати одну з найбільших проблем квантових обчислень

Незважаючи на прогрес, досягнутий у тому, щоб зробити квантові комп’ютери практичними, системи на основі кубітів залишаються нестабільними та дуже вразливими до помилок, і Google, можливо, зробив серйозний крок до виправлення.

Завдяки нещодавно представленому квантовому чіпу під назвою Willow інженери Google пройшли важливу віху в обробці помилок. Зокрема, вони змогли підтримувати один логічний кубіт достатньо стабільним, тому помилки траплялися, можливо, раз на годину, що є значним покращенням порівняно з попередніми налаштуваннями, які виходили з ладу кожні кілька секунд.

Кубіти є основними будівельними блоками квантової інформації. На відміну від бітів класичних обчислень, які можуть зберігати 1 або 0, ці кубіти можуть зберігати 1, 0 або суперпозицію обох. Ця комбінація є потужним інструментом у розробці алгоритмів, які можуть вирішити проблеми, вирішення яких класичним комп’ютером займе надто багато часу, якби вони взагалі могли з цим впоратися.

На жаль, кубіти — делікатні речі, їх суперпозиції схильні до зв’язування з навколишнім середовищем і втрати математичних властивостей. Хоча сьогоднішні системи достатньо надійні, щоб забезпечити 99,9-відсоткову надійність, для практичних систем рівень помилок повинен бути ближчим до одного на трильйон.

Щоб протидіяти помилкам у цих крихких кубітах, дослідники можуть розподілити один логічний кубіт між кількома частинками в суперпозиції. Однак це масштабування працює, лише якщо додаткові фізичні кубіти виправляють помилки помітно швидше, ніж вони їх створюють.

«Willow — перший процесор, у якому кубіти з виправленням помилок стають експоненціально кращими, коли вони стають більшими», — пишуть Майкл Ньюман і Кевін Сацінгер, дослідники з команди Google Quantum AI.

«Кожного разу, коли ми збільшуємо наші закодовані кубіти з 3×3 до 5×5 або 7×7 решітки фізичних кубітів, частота закодованих помилок зменшується у два рази».

Willow має 105 фізичних кубітів, і поєднання його архітектури та алгоритмів виправлення помилок, які він використовує, привело до успіху з погляду стабільності – де більше кубітів означає менше помилок.

Це була проблема з того часу, як методи квантової корекції помилок були вперше представлені в середині 1990-х років. Хоча попереду ще довгий шлях до повністю реалізованих квантових обчислень, великомасштабні квантові операції можуть бути принаймні здійсненними за допомогою цього підходу.

«Це демонструє експоненціальне придушення помилок, обіцяне квантовою корекцією помилок, майже 30-річною метою для квантових обчислень і ключовим елементом для розблокування великомасштабних квантових програм», — пишуть Ньюман і Сацінгер.

Стабільність — не єдина перевага Willow: Google стверджує, що вона здатна виконати конкретне квантове завдання за п’ять хвилин, на що одному з наших найшвидших суперкомп’ютерів знадобилося б 10 септильйонів років (це завдання створено спеціально для квантових комп’ютерів, але воно все одно показує, що можливо).

У квантових системах завжди будуть існувати помилки, але те, що дослідники прагнуть зробити, це зробити їх досить рідкісними, щоб квантова обробка була практичною. Для цього знадобиться краще обладнання, більше кубітів і оновлені алгоритми.

«Здається, що квантова корекція помилок зараз працює, але існує велика різниця між частотою помилок одна з тисячі сьогодні та частотою помилок одна на трильйон, яка буде потрібна завтра», — пишуть Ньюман і Сацінгер.

Невідредагована попередня версія дослідження була опублікована в Nature.