Похоже, для появления безотказных универсальных квантовых компьютеров никак не обойтись без магии и это не шутка. Волшебники из Google первыми открыли и применили способ культивации квантовых магических состояний, который на новом процессоре Willow компании показал настоящие чудеса коррекции ошибок.
Сразу поясним, что термин «магические» в контексте квантовых вычислений — это нормально. Его около четверти века назад ввели в оборот физики Сергей Бравии и Алексей Китаев. Магические состояния позволяют подготовить квантовую схему для вычислений с помощью особого типа вентилей (Т-вентилей), которые трудно воссоздать иными способами. Но Китаев и Бравии развивали идею дистилляции магических состояний, когда из множества систем до финальной реализации доходят самые удачные для конкретного алгоритма. Специалисты Google придумали другое решение, которое назвали культивацией магических состояний.
Суть предложения Google заключается в том, что с магическими состояниями носятся как со штучными тепличными растениями. Малейшее отклонение от заданных параметров, что определяется постоянным неразрушающим контролем, ведёт к отбраковке элемента. В частности, в процессе подготовки запуска алгоритма на процессоре Google Willow было отбраковано 92 % изначально подготовленных квантовых схем. Иными словами, в эксперименте участвовало только 8 % от первоначально заложенных магических состояний.
Тем не менее, даже в таком случае исследователи добились примерно 40-кратного уменьшения ошибок и логической точности магических состояний типа T на уровне 99,99 %. Работа решает одну из важных инженерных проблем создания универсальных отказоустойчивых квантовых компьютеров: современные способы коррекции квантовых ошибок, как известно, могут забрать под себя подавляющую массу аппаратных ресурсов, оставив на алгоритмы совсем какие-то крохи.
При этом магическое состояние расходуется в ходе вычисления и не может быть использовано повторно, поэтому компьютеру необходим постоянный запас таких состояний с высокой точностью. Как сказано выше, ранее для повышения их качества применяли дистилляцию: несколько менее точных состояний обрабатываются совместно, чтобы получить более надёжные состояния, хотя и в меньшем числе. Этот подход работоспособен, но требует дополнительных кубитов и операций.
Метод культивации предлагает другую схему: исходное состояние последовательно проверяют измерениями, выявляя признаки ошибок и отбрасывая неудачные попытки, вместо того чтобы изначально создавать большую партию состояний для последующей дистилляции.
Отдельной проблемой при проведении эксперимента стали измерения, точности которых не хватало для культивации магических состояний. Команде исследователей пришлось изобретать метод «обратной томографии», чтобы обеспечить неразрушающий контроль. Наконец, ошибки стали возникать позже на этапе передачи подготовленного состояния дальше для работы.
Сам по себе эксперимент подтвердил, что культивированное магическое состояние можно переносить между схемами, хотя переход к более крупному коду добавляет собственные ошибки. С этим предстоит разбираться уже на следующем этапе исследований. В принципе всё работает, но ещё чуток магии точно не помешает.
Было интересно? Скажите об этом Google, чтобы чаще получать ссылки на наши новости про на острие науки