Google совершил прорыв в квантовых вычислениях: решена 30-летняя проблема квантовой коррекции ошибок
Благодаря новому усовершенствованному процессору и улучшенной системе исправления ошибок Google удалось добиться значительного увеличения времени жизни квантовых кубитов. Как сообщает Ars Technica, ученым удалось создать квантовый процессор Willow, который впервые перешагнул порог квантовой коррекции ошибок.
Это означает, что с увеличением количества кубитов частота ошибок не увеличивается, а уменьшается. Более того, на полностью задействованном 105-кубитном процессоре логический квантовый бит оказался стабильным в среднем в течение часа.
Для развития квантовых технологий Google построила собственный производственный центр по созданию сверхпроводниковых процессоров.
«Раньше все устройства Sycamore производились в общей лаборатории университета, где аспиранты и другие исследователи работали бок о бок над различными экспериментами. Однако мы вложили значительные средства в новый объект, наняли персонал, оснастили его оборудованием и перенесли туда наши процессы.
говорит Джулиан Келли из команды Google
Первым результатом работы нового центра станет увеличение количества кубитов до 105 единиц в процессоре Willow, который является вторым поколением квантового процессора Google. Новая архитектура этого процессора позволила снизить частоту ошибок за счет увеличения размера отдельных кубитов, что сделало их менее чувствительными к шуму. Этот прогресс также был подтвержден в тестах, проведенных с использованием собственного теста Google.
«Мы обнаружили, что нашему новому процессору требуется менее 5 минут для выполнения заданной задачи, тогда как классическому компьютеру потребуется время, сравнимое с возрастом Вселенной».
Келли отметила
В частности, Уиллоу требуется менее 5 минут, чтобы выполнить задачу квантового теста RCS, которая потребует у Frontier (самого быстрого суперкомпьютера в мире) 10 септиллионов (1024) годы.
Ключевым аспектом исследования было поведение логических кубитов, которые являются строительными блоками квантовых вычислений. Они состоят из нескольких аппаратных кубитов, которые работают вместе для обнаружения и исправления ошибок. Для запуска сложных алгоритмов, которые занимают часы, стабильность этих кубитов имеет решающее значение, и новый результат Google подтверждает, что улучшенное исправление ошибок может обеспечить необходимый уровень надежности. Исправление квантовых ошибок было проблемой, с которой исследователи сталкивались в течение последних 30 лет и которая препятствовала практическому использованию квантовых компьютеров.
Для этого используется специальный код исправления ошибок, который является «поверхностным кодом» (этот код также должен быть отказоустойчивым), который должен идеально вписываться в квадратную решетку кубитов. Увеличение размера этой сетки и ее все большее использование также улучшают коррекцию. Исследование показало, что переход от расстояния от 3 до 5, а затем до 7 вдвое снижает частоту ошибок на каждом шаге.
«Мы увеличиваем сетку по этой системе, и уровень ошибок падает вдвое после каждого шага».
объясняет Майкл Ньюман из Google.
Однако кубиты по-прежнему подвержены редким ошибкам.
Одной из причин этого являются локальные всплески ошибок, а другая причина кроется в более сложном явлении, связанном с одновременными ошибками в области около 30 кубитов. Пока зафиксировано всего 6 таких событий, поэтому их сложно исследовать, а Google подчеркивает, что эти события настолько редки, что сложно собрать достаточно статистики для их анализа.
Помимо повышения стабильности, увеличение размера кода исправления ошибок может значительно усилить эффект от будущих усовершенствований оборудования. Например, по оценкам Google, улучшение аппаратной производительности кубита в два раза при кодовом расстоянии Хэмминга d-15 уменьшит логические ошибки кубита в 250 раз. На дистанции д-27 такое же усовершенствование уменьшит ошибки более чем в 10 000 раз.
При этом полная отладка невозможна.
«Важно понимать, что некоторый уровень ошибок всегда будет, но его можно уменьшить до такой степени, что он станет практически незначительным».
говорит компания
Несмотря на необходимость дальнейших исследований по увеличению времени жизни логических кубитов и масштабированию системы, команда Google уверена в достижении своих целей, а экспоненциальные улучшения подтверждают жизнеспособность технологии. Результаты открывают путь к созданию квантовых систем, полезных на практике. К концу десятилетия Google планирует создать полноценный отказоустойчивый квантовый компьютер и начать предоставлять квантовые вычисления через облако.
