Исследователи Google разработали Willow, новый квантовый процессор, который значительно уменьшает количество ошибок при увеличении числа кубитов. В частности, устройство позволяет распределить «логический» кубит информации между несколькими избыточными «физическими» кубитами, что дает возможность поддерживать квантовое состояние в течение времени, превышающего время существования каждого отдельного физического кубита, и снижать ошибки до так называемого «подпорогового» уровня.
В отличие от своих классических аналогов, квантовые компьютеры чрезвычайно чувствительны к шуму в окружающей среде, который вызывает ошибки в кубитах, несущих информацию. Кубиты уязвимы к двум основным типам ошибок: инверсии битов и сдвигу фаз. Первая возникает, когда кубиты внезапно меняют значение с 0 на 1 или наоборот. Второй, напротив, нарушает квантовое состояние кубитов, заставляя их переходить в классическое состояние и приводя к потере информации.
В классических компьютерах исправление ошибок обычно основано на избыточности информации. Например, если Алиса хочет отправить Андрею сообщение «1», она может скопировать его и отправить в трех экземплярах, то есть «111». Таким образом, даже если произойдет инверсия битов и будет передана, например, версия сообщения «101», Андрей все равно сможет предположить, что Алиса хотела отправить «1», поскольку именно эта информация является избыточной. Однако законы квантовой механики не позволяют копировать информацию. Чтобы преодолеть эту проблему, в 1990-х годах исследователи разработали систему исправления ошибок, специально предназначенную для квантовых компьютеров и заключающуюся в распределении информации в виде так называемых «логических» кубитов.
«Мы должны распределить информацию таким образом, чтобы была избыточность, но не было копий», — объяснил Scientific American Дэниел Готтесман, теоретик квантовой информации из Университета Мэриленда.
Логический кубит — это кубит, закодированный из набора физических кубитов таким образом, чтобы информация сохранялась даже при ошибке одного из них. Исследователи изучают эту систему исправления ошибок уже несколько десятилетий, но до сих пор качество кубитов было недостаточным для удовлетворительной работы. Например, команда Google применила эту систему к чипу Sycamore, но добавление физических кубитов к каждому логическому кубиту дало убывающую отдачу. Другими словами, частота ошибок возрастала по мере увеличения количества логических кубитов.
С помощью процессора Willow (улучшенной версии Sycamore) исследователям Google впервые удалось опуститься ниже ключевого порога, когда количество ошибок уменьшается по мере увеличения числа кубитов.
«Чтобы продемонстрировать реальный прогресс в исправлении ошибок, необходимо показать, что вы находитесь ниже порога, а это было серьезной проблемой с тех пор, как квантовая коррекция ошибок была представлена Питером Шором в 1995 году», — объясняет Хартмут Невен, основатель и руководитель подразделения Google Quantum AI, в блоге компании.
Согласно исследованию, предварительно опубликованному в журнале Nature, новый чип Willow имеет 105 физических кубитов (по сравнению с 72 у Sycamore), качество которых было улучшено таким образом, что они сохраняют свое квантовое состояние в пять раз дольше, чем раньше. Чтобы оценить коэффициент исправления ошибок, исследователи закодировали логические кубиты, постепенно увеличивая их размер. Первые состояли из сетки физических кубитов 3×3, вторые — из сетки 5×5, а последние — из сетки 7×7.
Исследователи обнаружили, что частота ошибок значительно снижается по мере увеличения размера логических кубитов. «Высококачественные кубиты позволяют исправлять квантовые ошибки», — объясняет Джулиан Келли, директор по квантовому оборудованию в Google и соавтор нового исследования. Логические кубиты пережили ошибки в два раза дольше, чем отдельные физические кубиты, из которых они состоят. На каждый цикл вычислений вероятность ошибки составляла бы один к 1000.
Однако те, кто ознакомился с исследованием, утверждают, что частота ошибок составляет 1 к 100, а не 1 к 1000. В ответ на этот комментарий представитель Google заявил, что «точное число не так важно, как увеличение производительности с ростом размера. Это ключевой элемент, который делает эту систему масштабируемой». 5 минут на вычисление 1025 лет Для оценки вычислительных возможностей Willow команда использовала протокол под названием «случайная выборка цепей» (RCS) - самый сложный тест, используемый в настоящее время для квантовых компьютеров.
«Его можно рассматривать как точку входа в квантовые вычисления: он проверяет, делает ли квантовый компьютер что-то, что невозможно сделать на классическом компьютере», — объясняет Невен. «Любая команда, создающая квантовый компьютер, должна сначала проверить, сможет ли он победить классические компьютеры в тесте RCS; если нет, то есть серьезные основания скептически относиться к его способности решать более сложные квантовые задачи», — добавляет он.
Willow выполнил расчет, на который у самых мощных суперкомпьютеров сегодня ушло бы 1025 (или 10 септиллионов) лет. Следующим вызовом станет демонстрация соответствующей производительности вычислений для конкретного приложения, что, несмотря на текущий прогресс, станет возможным только в долгосрочной перспективе. Для этого нам понадобятся сотни логических кубитов и частота ошибок менее 1 на 1 миллион.