Google совершила прорыв в квантовых вычислениях: решена 30-летняя проблема квантовой коррекции ошибок

Google совершила прорыв в области квантовых вычислений. Благодаря новому улучшенному процессору и усовершенствованной системе коррекции ошибок удалось значительно увеличить время жизни квантового кубита. Как сообщает Ars Technica, учёным удалось создать квантовый процессор Willow, который впервые преодолел порог квантовой коррекции ошибок. Это значит, что при увеличении числа кубитов частота ошибок не растет, а снижается. Кроме того, на полностью задействованном процессоре со 105-кубитами логический квантовый бит оказался стабилен в среднем на протяжении часа.

Для развития квантовых технологий Google построила собственный производственный центр для создания сверхпроводящих процессоров. «Ранее все устройства Sycamore изготавливались в общей лаборатории университета, где рядом работали аспиранты и другие исследователи, занимавшиеся различными экспериментами, — говорит Джулиан Келли (Julian Kelly), представитель команды Google. — Однако мы инвестировали значительные средства в создание нового предприятия, наняли персонал, оснастили его оборудованием и перенесли туда наши процессы».

Первым результатом работы нового центра стало увеличение числа кубитов до 105 единиц на процессоре Willow, который стал вторым поколением квантовых процессоров Google. Новая архитектура этого процессора позволила снизить уровень ошибок благодаря увеличению размеров отдельных кубитов, сделав их менее чувствительными к шуму. Этот прогресс подтвердился и в ходе тестов, проведённых с использованием фирменного бенчмарка Google. «Мы пришли к тому, что выполнение задачи на нашем новом процессоре занимает менее пяти минут, тогда как классическому компьютеру потребовалось бы время соизмеримое с возрастом Вселенной», — отметил Келли. Если точнее, то Willow менее чем за пять минут решил задачу из квантового бенчмарка RCS, на которую у Frontier (самого быстрого суперкомпьютера в мире) ушло бы 10 септиллионов (10²⁴) лет.

Ключевым аспектом исследования стало поведение логических кубитов, представляющих из себя главный элемент квантовых вычислений. Они состоят из нескольких аппаратных кубитов, которые работают вместе для выявления и исправления ошибок. Для выполнения сложных алгоритмов, требующих нескольких часов, стабильность таких кубитов крайне важна, и новый результат Google подтверждает, что улучшенная система коррекция ошибок может обеспечить необходимый уровень надёжности. Квантовая коррекция ошибок — задача, которая стояла перед исследователями последние 30 лет и мешала практическому использованию квантовых компьютеров.

Для этого был использован специальный код коррекции ошибок, представляющий из себя «поверхностный код» (этот код также должен быть устойчив к ошибкам), который должен идеально вписываться в квадратную сетку расположения кубитов. Увеличение размера этой сетки и использование всё большей её части улучшает и коррекцию. Исследование показало, что переход от расстояния трёх к пяти и затем к семи снижает количество ошибок вдвое на каждом этапе. «Мы увеличиваем сетку по этой системе, и уровень ошибок падает в два раза на каждом этапе», — пояснил Майкл Ньюман (Michael Newman) из Google.

Однако кубиты всё ещё подвержены редким сбоям. Одной из причин являются локальные всплески ошибок, другая причина кроется в более сложном феномене, включающем одновременные ошибки в области, состоящей из примерно 30 кубитов. Пока таких событий зафиксировано лишь шесть, поэтому их изучение затруднено и в Google подчёркивают, что «эти события настолько редки, что нам сложно собрать достаточно статистики для их анализа».

Кроме улучшения стабильности, увеличение размера кода коррекции ошибок позволяет значительно усилить эффект от будущих аппаратных улучшений. Например, в Google подсчитали, что улучшение производительности аппаратных кубитов в два раза при кодовом расстоянии Хэмминга d-15 снизит ошибки логического кубита в 250 раз. При расстоянии d-27 это же улучшение приведёт к уменьшению ошибок более чем в 10 000 раз.

При этом полное устранение ошибок невозможно. «Важно понимать, что всегда будет определённый уровень ошибок, но его можно снизить до уровня, когда он станет практически незначительным», — отметили в компании. Несмотря на необходимость дальнейших исследований для увеличения времени жизни логических кубитов и масштабирования системы, команда Google уверена в достижении своих целей, а экспоненциальные улучшения подтверждают жизнеспособность технологии.

Полученные результаты открывают путь к построению полезных на практике квантовых систем. К концу десятилетия Google планирует создать полноценный отказоустойчивый квантовый компьютер и начать предоставлять квантовые вычисления через облако.