Google придумала, как избавиться от ошибок в квантовых компьютерах, но IBM в методе усомнилась

Исследователи Google опубликовали в Nature статью, в которой сообщили о прорыве в исправлении ошибок в вычислениях квантовых компьютеров. В опытах на реальной системе из 72 кубитов был получен результат, теоретическое масштабирование которого на систему из миллиона кубитов обещает добиться безошибочных расчетов любой сложности. Фактически команда Google обосновала возможность практического использования квантовых компьютеров.

Ранее Google уже садилась в лужу с заявлениями о достижениях в области квантовых вычислений. В 2019 году она заявила, что первой добилась квантового превосходства — за считанные минуты смогла решить на квантовой системе задачу, которую обычный суперкомпьютер IBM решал бы тысячи лет. Упоминание системы IBM было явно неуместно, поскольку эта компания посчитала делом чести защитить себя и быстро опровергла заявление Google. Поэтому сегодня компания повела себя осмотрительно и сообщила о новом прорыве, как о вероятном, но не обязательно достижимом результате.

Итак, о каком прорыве говорит Google? Как известно, квантовые состояния или значения кубитов — квантовых битов — очень неустойчивы и «пугливы». Любой шум от вибраций до тепловых колебаний, радиосигналов и прилетающих из космоса частиц способен разрушить эти состояния. Криогенное охлаждение, экраны, бетонные стены и полы могут продлить устойчивость, но она всё равно очень и очень непродолжительная — не дольше 10-15 мкс. Выход тут только один — корректировать ошибки (потери стабильности и, как следствие, данных) по мере их возникновения хотя бы до завершения работы вычислительных алгоритмов.

Наиболее перспективным сегодня считается коррекция ошибок с помощью поверхностных кодов, когда создаётся двумерная матрица из физических кубитов данных и связанных с ними измерительных кубитов. Измерительных кубитов всегда на один меньше. На них переносятся состояния физических кубитов данных, что позволяет корректировать возникающие в этих состояниях ошибки. Например, для матрицы 3 × 3 будет 9 кубитов данных и 8 измерительных кубитов. Матрица 5 × 5 будет содержать 25 кубитов данных и 24 измерительных кубита для коррекции ошибок.

В каждом случае комбинация кубитов данных и измерительных кубитов будет представлять один логический кубит с коррекцией ошибок. В первом случае примера один логический кубит потребует 17 физических кубитов, а во втором — 49 физических кубитов. Свежая работа команды Google показала, что чем крупнее массив физических кубитов в каждом логическом кубите, тем меньше частота возникновения ошибок при расчетах. Ранее Google уже сообщала о таких выводах и теперь она на практической системе показала, что в случае матрицы 3 × 3 частота возникновения ошибок составляет 3,028 %, а в случае матрицы 5 × 5 она меньше и равна 2,914 %. Из этого учёные делают вывод, что чем больше физических кубитов в каждом логическом кубите, тем меньше вероятность ошибки.

Согласно подсчётам Google, для построения полностью безошибочного квантового компьютера необходимо создавать логические кубиты из тысячи физических кубитов для каждого. Так, практическая ценность ожидается при достижении квантового компьютера объёмом в 1000 логических кубитов, для чего потребуется «всего» один миллион физических кубитов. И это не мечта о далёком будущем, уверены в Google. Это план движения к цели.

Впрочем, скептики из той же IBM напоминают, что при масштабировании любых систем ошибки каждой подсистемы имеют тенденцию накапливаться и не факт, что в случае системы из миллиона кубитов общие ошибки системы не начнут превалировать над способностью платформы корректировать ошибки расчётов.