Google приблизилась к отказоустойчивым квантовым компьютерам благодаря новому эксперименту
Исследователи Google Quantum AI продемонстрировали новый метод подготовки квантовых состояний, который позволил сократить вероятность ошибок примерно в 40 раз. Эксперимент проводился на квантовом процессоре Willow и обеспечил точность подготовки логических состояний до 99,99%. Разработка может помочь решить одну из главных проблем квантовых вычислений — необходимость тратить большое количество кубитов на исправление ошибок.
Результаты представлены в исследовании под руководством Эммы Розенфельд и Крейга Гидни из Google Quantum AI. Учёные экспериментально проверили метод, получивший название magic state cultivation, который можно перевести как «выращивание магических состояний». Его теоретические основы были разработаны исследователями компании в 2024 году, однако до сих пор эффективность подхода не была подтверждена в полном эксперименте на реальном квантовом процессоре.
Квантовые компьютеры используют кубиты, способные находиться в суперпозиции состояний. Однако квантовая информация чрезвычайно чувствительна к внешним воздействиям, поэтому даже небольшие помехи могут приводить к вычислительным ошибкам. Для надёжной работы необходимо объединять физические кубиты в логические, использующие специальные методы обнаружения и исправления ошибок.
Отдельную проблему представляет выполнение некоторых квантовых операций, необходимых для универсальных вычислений. Для них требуются особые ресурсные состояния кубитов — так называемые магические состояния. В частности, состояния типа T позволяют реализовывать операции, которые нельзя получить только с помощью более простого набора квантовых вентилей.
Подготовка таких состояний с достаточно высокой точностью требует значительных вычислительных ресурсов. Согласно некоторым теоретическим оценкам, до 95% физических кубитов будущего отказоустойчивого квантового компьютера может понадобиться именно для их производства. Кроме того, каждое магическое состояние расходуется при выполнении операции, поэтому компьютеру необходимо постоянно создавать новые.
Предложенный Google метод позволяет существенно уменьшить вероятность ошибок при подготовке этих состояний. Сначала в небольшую область процессора вводится квантовое состояние с некоторым количеством ошибок. Затем система выполняет последовательность согласованных измерений, выявляя нарушения. Попытки, в которых обнаружены ошибки, отбрасываются, а успешно прошедшие проверку состояния сохраняются для дальнейшего использования.
Во время экспериментов на Willow исследователи добились примерно 40-кратного снижения вероятности ошибки по сравнению с обычной подготовкой без дополнительной процедуры. Точность полученных логических T-состояний достигла приблизительно 99,99%, что соответствует вероятности ошибки порядка одной десятитысячной.
Однако у результата есть важное ограничение. После всех проверок сохранялось только около 8% попыток подготовки состояний. Остальные отбрасывались из-за обнаруженных ошибок, поэтому высокая точность пока не означает столь же высокую производительность всей системы. Для практического применения потребуется увеличить выход пригодных состояний и сократить затраты вычислительных ресурсов.
Разработчикам также пришлось решить проблему измерения чрезвычайно малых ошибок. Первоначальные испытания давали противоречивые результаты из-за нестабильности электронного оборудования и колебаний температуры в лаборатории. Учёные усовершенствовали управление процессором и разработали специальную методику проверки, позволяющую точнее оценивать качество подготовленных состояний.
Дополнительным результатом стала демонстрация переноса квантового состояния между двумя методами коррекции ошибок. Исследователи подготовили его с использованием цветового кода расстояния 3, а затем перенесли в поверхностный код расстояния 5. Это подтвердило возможность сочетать разные способы защиты квантовой информации в одной вычислительной системе.
По мнению разработчиков, технология может сократить количество кубитов, необходимое для выполнения сложных квантовых алгоритмов. Такие компьютеры в перспективе рассматриваются для моделирования молекул, разработки материалов и решения отдельных вычислительных задач, труднодоступных традиционным суперкомпьютерам.
При этом Google пока не продемонстрировала полноценный отказоустойчивый квантовый компьютер. Эксперимент подтверждает эффективность отдельного метода подготовки квантовых состояний, который ещё предстоит масштабировать и объединить с другими компонентами квантовых вычислений.