Willow — новый квантовый процессор, созданный специалистами Google, демонстрирует существенное снижение количества ошибок при увеличении числа кубитов. Устройство использует подход, при котором один «логический» кубит информации распределяется между несколькими избыточными «физическими» кубитами. Это позволяет сохранять квантовое состояние дольше, чем время существования каждого отдельного физического кубита, и уменьшать вероятность возникновения ошибок до уровня, называемого «подпороговым.
Квантовые компьютеры, в отличие от традиционных, обладают повышенной восприимчивостью к внешним воздействиям, что приводит к ошибкам в кубитах, хранящих данные. Кубиты подвержены воздействию двух основных видов ошибок: инверсии битов и сдвигу фаз. Инверсия битов проявляется в неожиданном изменении значения кубита с 0 на 1 или наоборот. Сдвиг фаз, в свою очередь, дестабилизирует квантовое состояние кубитов, переводит их в классическое состояние и вызывает потерю информации.
В традиционных компьютерах коррекция ошибок обычно реализуется за счет использования избыточности данных. К примеру, если Алиса желает передать Андрею сообщение, состоящее из цифры «1», она может продублировать его и отправить в трех копиях, получив последовательность «111». В таком случае, даже если произойдет изменение битов и будет передана, скажем, версия сообщения «101», Андрей сможет определить, что Алиса намеревалась передать «1», благодаря наличию избыточной информации.
Законы квантовой механики исключают возможность копирования информации. Для решения этой задачи в 1990-х годах ученые создали систему коррекции ошибок, разработанную для квантовых компьютеров и основанную на распределении информации в виде «логических» кубитов. « Необходимо организовать распространение информации с обеспечением ее избыточности, избегая при этом дублирования », — это позволяет строить более надежные квантовые компьютеры», — пояснил Дэниел Готтесман, специалист в области квантовой информации из Университета Мэриленда. Логический кубит представляет собой кубит, сформированный из нескольких физических кубитов, благодаря чему информация остается защищенной даже в случае сбоя одного из них.
Несмотря на десятилетия исследований в области коррекции ошибок, качество кубитов оставалось недостаточным для эффективной работы. В качестве примера, команда Google внедрила эту систему в чип Sycamore, однако добавление физических кубитов для каждого логического кубита не привело к ожидаемому результату. С увеличением числа логических кубитов частота ошибок, напротив, возрастала.
Используя процессор Willow, являющийся усовершенствованной версией Sycamore, специалисты Google впервые достигли результата, при котором количество ошибок снижается с увеличением числа кубитов. « Для подтверждения фактического улучшения в устранении дефектов требуется продемонстрировать, что показатели находятся ниже установленного уровня. Эта проблема оставалась существенной с момента представления квантовой коррекции ошибок Питером Шором в 1995 году », — поясняет Хартмут Невен, основатель и руководитель направления Google Quantum AI, в блоге компании.
С увеличением числа кубитов наблюдается уменьшение количества ошибок
Согласно результатам исследования, представленным в журнале , новый чип Willow оснащен 105 физическими кубитами, что превышает показатель Sycamore (72). Качество этих кубитов улучшено, благодаря чему они удерживают квантовое состояние в пять раз дольше, чем прежде. Для оценки эффективности коррекции ошибок исследователи использовали логические кубиты, постепенно увеличивая их размер. Первоначально они состояли из сетки физических кубитов 3×3, затем 5×5, и, наконец, 7×7.
По мере роста числа логических кубитов наблюдается заметное уменьшение частоты возникающих ошибок. « Для исправления квантовых ошибок необходимы кубиты высокого качества », — цель состоит в том, чтобы создать вычислительный блок, который будет работать как можно дольше», — поясняет Джулиан Келли, директор по квантовому оборудованию в Google и один из авторов новой работы. Логические кубиты демонстрировали устойчивость к ошибкам вдвое большую, чем у отдельных физических кубитов, из которых они формируются. Вероятность возникновения ошибки при каждом цикле вычислений оценивалась бы как одна на тысячу.
Согласно мнению тех, кто изучил исследование, вероятность возникновения ошибок оценивается в 1 к 100, а не в 1 к 1000. В свою очередь, представитель Google подчеркнул, что «более важным является повышение производительности при увеличении размера системы, а не конкретное число. Именно это делает систему масштабируемой».
5 минут на вычисление 1025 лет
Чтобы оценить производительность Willow, команда применила протокол «случайная выборка цепей» (RCS) – на текущий момент это наиболее сложный тест для квантовых компьютеров. « Он служит индикатором перехода к квантовым вычислениям, демонстрируя способность квантового компьютера решать задачи, непосильные для классических систем », — объясняет Невен. «Прежде чем приступать к созданию квантового компьютера, необходимо убедиться в его превосходстве над классическими аналогами в тесте RCS, поскольку отсутствие этой победы ставит под сомнение его потенциал для решения сложных квантовых задач », — добавляет он.
Willow справилась с расчетами менее чем за пять минут, в то время как для современных суперкомпьютеров потребовалось бы 10 25 (ожидается, что для этого потребуется от 10 септиллионов лет. Демонстрация необходимой вычислительной мощности для конкретного приложения, несмотря на текущие успехи, станет возможной лишь в будущем. Для достижения этой цели потребуются сотни логических кубитов и частота ошибок менее 1 на 1 миллион.