105 кубита срещу хаоса: Google обещава „истински полезни“ квантови компютри

Корпорацията предлага обещаващ подход за коригиране на грешките.

Изследователи от Google Quantum AI обявиха, че са постигнали сериозен напредък в областта на квантовата корекция на грешките. Техните изследвания могат да проправят пътя към квантови компютри, които най-накрая да оправдаят очакванията.

Квантовите компютри обещават да направят революция в научните изследвания – от физиката на частиците до разработването на нови лекарства и материали. Досега обаче практическите им приложения бяха ограничени поради високата им чувствителност към грешките.

Основният проблем е, че квантовите системи могат да съхраняват или обработват информацията неправилно. Подобни неточности не позволяваха на алгоритмите да работят достатъчно дълго, за да бъдат практически полезни. Ново проучване на Google Quantum AI и техните академични партньори показва, че добавянето на определени компоненти може действително да намали неточностите в изчисленията.

Преди това, поради инженерни ограничения, увеличаването на броя на елементите в квантовия компютър водеше до увеличаване на неточностите.

Квантовите компютри обработват данните с помощта на квантови състояния, които се подчиняват на законите на квантовата механика. За разлика от конвенционалните компютри, които работят с битове (0 и 1), квантовите системи използват кубити, способни да се намират в „суперпозиция“ – едновременно в състояния 0 и 1. Съхраняването на информация под формата на суперпозиции и манипулирането на техните стойности с помощта на квантови ефекти, като например заплитане, открива възможности за създаване на принципно нови алгоритми.

На практика обаче разработчиците на квантови компютри установиха, че грешките бързо се натрупват поради изключителната чувствителност на компонентите. Квантовият компютър представя 0, 1 или тяхната суперпозиция, като поставя един от компонентите си в определено физическо състояние, което лесно се нарушава от случайно въздействие. В резултат на това компонентът се оказва в състояние, което не съответства на информацията, която трябва да представя. Натрупването на такива грешки с течение на времето води до това, че системата не е в състояние да даде точни отговори при изпълнение на дълги алгоритми без корекция на грешките.

Всички кубити са нестабилни и са склонни да губят състоянието си по време на работата или просто с течение на времето. Независимо от технологията – студени атоми, свръхпроводящи трансмони, каквото и да е – тези проценти на грешките поставят твърд лимит на обема на изчисленията, които могат да бъдат извършени, преди грешката да е станала прекалено голяма. Това изключва извършването на почти всякакви полезни изчисления директно върху сега съществуващите хардуерни кубити.

Общоприетото решение на този проблем е да се работи с така наречените логически кубити.

За да осъществят корекцията, изследователите трябва да кодират информацията по специфичен начин. Кубитите могат да бъдат създадени от различни материали, като например отделни атоми или йони. В случая на Google всеки физически кубит представлява миниатюрна свръхпроводима верига, която трябва да се поддържа при свръхниска температура.

В ранните експерименти с квантови компютри всяка единица информация се съхранява в един физически кубит. Сега изследователите, включително екипът на Google, започнаха да експериментират с кодирането на всяка единица информация в множество физически кюбити. Те наричат подобна група от физически кубити един „логически“ кубит, който може да представя 0, 1 или тяхната суперпозиция. По замисъл един логически кубит може да съхранява единица информация по-надеждно, отколкото един физически кубит. Екипът на Google коригира неточностите в логическия кубит с помощта на алгоритъм, известен като повърхностен код, който ангажира физическите кубити, съставящи логическия кубит.

В експеримента логически кубит от 105 физически кубита потиска грешките по-ефективно, отколкото логически кубит от 72 кубита. Според Браун това показва, че комбинирането на все повече и повече физически кубити в един логически кубит може наистина да намали неточностите. Учените съобщават също така, че животът на един логически кубит е 2,4 пъти по-дълъг от живота на най-добрите му физически компоненти.

Това откритие обаче е само първата стъпка към създаването на квантов компютър с корекция на грешките, отбелязва Джей Гамбета, вицепрезидент на квантовата инициатива на IBM. Той подчертава, че макар Google да е демонстрирала по-стабилна квантова памет, компанията все още не е извършила никакви логически операции с информацията, съхранена в тази памет.

IBM, чиито квантови компютри също се състоят от кубити, базирани на свръхпроводящи вериги, прилага по-различен подход. Компанията смята, че техният метод, известен като код за проверка на четността с ниска плътност, ще бъде по-лесен за мащабиране: всеки логически кубит ще изисква по-малко физически такива, за да се постигне сравнима степен на потискане на грешките. До 2026 г. IBM планира да демонстрира възможността за създаване на 12 логически кубита от 244 физически.

Други изследователи също разработват интересни техники. Вместо свръхпроводящи вериги, екип, свързан с базираната в Бостън компания QuEra, използва неутрални атоми като физически кубити. По-рано тази година те публикуваха изследване в Nature, показващо ефективността на алгоритми, използващи до 48 логически кубита, базирани на рубидиеви атоми.

Гамбета призовава изследователите да бъдат търпеливи и предупреждава да не се вдига прекалено шум около постигнатия от тях напредък.

„Просто не искам хората да си мислят, че проблемът с корекцията на грешки е решен“, казва той. „Разработването на хардуер отнема много време, защото цикълът на проектиране, изграждане и отстраняване на грешките е сложен, особено в сравнение с разработването на софтуер.

За да изпълни алгоритми с гарантирана практичност, един квантов компютър трябва да извърши около един милиард логически операции“, добавя Браун. „А досега никой дори не се е доближил до въпросния един милиард операции.“