Специалисты из Google Quantum AI представили инновационную технологию подготовки квантовых состояний, благодаря которой удалось снизить вероятность возникновения ошибок приблизительно в сорок раз. В ходе эксперимента, проведенного на квантовом процессоре Willow, была достигнута точность формирования логических состояний, составившая 99,99%. Данное достижение способно внести существенный вклад в решение одной из ключевых задач квантовых вычислений – необходимости использования значительного количества кубитов для коррекции ошибок.

О результатах исследования рассказано в работе, возглавленной Эммой Розенфельд и Крейгом Гидном из Google Quantum AI. Научная группа провела практическую проверку метода, получившего наименование magic state cultivation, что можно интерпретировать как «выращивание магических состояний». Теоретические аспекты этой методики были разработаны сотрудниками компании в 2024 году, однако до настоящего времени её эффективность не была подтверждена посредством полноценного эксперимента на действующем квантовом процессоре.

Квантовые компьютеры функционируют с использованием кубитов, обладающих свойством суперпозиции состояний. Тем не менее, квантовая информация отличается высокой чувствительностью к внешним факторам, поэтому даже незначительные помехи могут вызывать вычислительные ошибки. Для обеспечения надёжной работы требуется объединение физических кубитов в логические, с применением специальных техник обнаружения и исправления ошибок.

Особую сложность представляет выполнение определенных квантовых операций, необходимых для универсальных вычислений. Для их реализации требуются специфические ресурсные состояния кубитов – так называемые магические состояния. В частности, состояния типа T позволяют осуществлять операции, которые невозможно выполнить с использованием более простого набора квантовых вентилей.

Создание таких квантовых состояний с приемлемой степенью надежности сопряжено с необходимостью использования значительных вычислительных мощностей. По некоторым теоретическим расчетам, до 95% физических кубитов в перспективных отказоустойчивых квантовых компьютерах может быть задействовано исключительно для их генерации. Более того, каждое магическое состояние потребляется в процессе выполнения операций, что требует непрерывного создания новых экземпляров.

Разработанная компанией Google методика позволяет значительно снизить вероятность возникновения ошибок при подготовке данных состояний. Вначале в ограниченную область процессора внедряется квантовое состояние с изначально присутствующими ошибками. Далее система осуществляет последовательность скоординированных измерений для выявления дефектов. Попытки, содержащие ошибки, исключаются, а прошедшие проверку состояния сохраняются для дальнейшего использования.

В ходе экспериментов, проведенных на Willow, ученым удалось добиться снижения вероятности возникновения ошибок примерно в 40 раз по сравнению с обычной процедурой подготовки без применения дополнительной обработки. Точность полученных логических T-состояний достигла приблизительно 99,99%, что эквивалентно вероятности ошибки порядка одной сотой процента.

Тем не менее, у данного достижения присутствует существенное ограничение. После всех этапов проверки сохранялось лишь около 8% попыток подготовки состояний. Остальные были отклонены из-за выявленных дефектов, поэтому высокая точность пока не гарантирует столь же высокую эффективность всей системы. Для практического применения потребуется повысить количество успешно подготовленных состояний и уменьшить затраты вычислительных ресурсов.

При создании системы разработчикам пришлось столкнуться с задачей точного определения крайне незначительных ошибок. Первоначальные тесты демонстрировали неоднозначные результаты, что было обусловлено нестабильностью электронных компонентов и температурными колебаниями в лабораторных условиях. В результате ученые внесли улучшения в управление процессором и создали специальный метод тестирования, который позволил более достоверно оценивать характеристики полученных состояний.

В качестве дополнительного достижения была показана возможность передачи квантового состояния между различными методами коррекции ошибок. Специалисты подготовили состояние с использованием цветового кода расстояния 3, после чего осуществили его перенос в поверхностный код расстояния 5. Этот факт подтверждает потенциал комбинирования различных подходов к защите квантовой информации внутри одной вычислительной системы.

По оценкам разработчиков, данная технология способна уменьшить число кубитов, требуемых для реализации сложных квантовых алгоритмов. В будущем такие машины рассматриваются как перспективные инструменты для моделирования молекулярных структур, разработки новых материалов и решения специфических вычислительных задач, которые недоступны обычным суперкомпьютерам.

Тем не менее, компания Google на текущий момент не представила полностью функциональный квантовый компьютер с высокой степенью надежности. Проведенный эксперимент подтверждает эффективность конкретного метода подготовки квантовых состояний, который предстоит масштабировать и интегрировать с другими элементами квантовой вычислительной системы.