Google использует «магию» для сокращения числа ошибок в квантовых вычислениях

Исследователи Google продемонстрировали новый способ снижения числа ошибок в квантовых вычислениях, приблизив компанию к созданию машин, способных решать практические задачи. Метод, получивший название «культивация магических состояний», был испытан на квантовом процессоре компании Willow и позволил сократить число ошибок подготовки примерно в 40 раз и получить квантовые состояния с логической точностью 99.99 %.

Термин «магические состояния» — устоявшееся понятие в квантовых вычислениях, не имеющее отношения к чему-либо сверхъестественному. Эти состояния позволяют квантовым компьютерам выполнять определённые операции, необходимые для универсальных квантовых вычислений, в том числе операции, реализуемые с помощью T-гейтов. Поскольку магические состояния расходуются в ходе вычислений и не могут использоваться повторно, их надёжное получение в больших масштабах представляет собой серьёзную инженерную задачу.

Существующие методы получения магических состояний используют процесс, называемый дистилляцией магических состояний, при котором несколько несовершенных состояний объединяют, чтобы получить меньшее число более надёжных. По словам Google, этот процесс может потреблять значительную долю ресурсов квантового компьютера, оставляя меньше мощности для самих вычислений.

Метод культивации Google использует иной подход. Вместо обработки больших наборов несовершенных состояний система подготавливает отдельные состояния и многократно проверяет их с помощью измерений, предназначенных для обнаружения ошибок без разрушения проверяемых состояний. Попытки, не прошедшие проверки, отбраковываются, и остаются только наиболее надёжные результаты.

На процессоре Willow компании Google этот метод позволил сократить число ошибок подготовки примерно в 40 раз по сравнению с состояниями, подготовленными без культивации. Полученные состояния достигли логической точности 99.99 %, что указывает на очень низкую частоту ошибок. Однако такая точность далась определённой ценой: в экспериментальных сериях с наиболее строгими требованиями около 92 % попыток отбраковывались, и лишь 8 % оставались пригодными для использования.

Измерение столь малых ошибок также оказалось непростой задачей. Команда разработала метод под названием «томография с обратным воздействием», обнаружив, что колебания температуры и шум электрического оборудования искажали первоначальные измерения. Затем исследователи продемонстрировали, что культивированные состояния можно перенести в более крупный код квантовой коррекции ошибок, хотя такой перенос вносил дополнительные ошибки.

Эксперимент не даёт полноценного отказоустойчивого квантового компьютера. Вместо этого он устраняет конкретное инженерное узкое место: получение высококачественных состояний, необходимых для полезных вычислений, без выделения чрезмерных аппаратных ресурсов на их подготовку.