105 кубитов против хаоса: Google обещает «по-настоящему полезные» квантовые компьютеры

Исследователи из Google Quantum AI заявили, что добились серьезного прогресса в области квантовой коррекции ошибок. Их исследования могут открыть путь к созданию квантовых компьютеров, которые наконец-то оправдают возлагаемые на них надежды.

Квантовые компьютеры обещают революцию в научных исследованиях — от физики элементарных частиц до разработки новых лекарств и материалов. Однако до сих пор их практическое применение ограничивалось из-за высокой чувствительности к ошибкам.

Ключевая проблема заключалась в том, что квантовые системы могли неправильно хранить или обрабатывать информацию. Подобные неточности не позволяли выполнять достаточно длинные алгоритмы, чтобы получить практическую пользу. Новое исследование Google Quantum AI и их академических партнеров демонстрирует, что добавление определенных компонентов может фактически снизить количество неточностей в вычислениях.

Ранее, из-за инженерных ограничений, увеличение числа элементов в квантовом компьютере приводило к росту погрешностей.

Квантовые компьютеры обрабатывают данные, используя квантовые состояния, подчиняющиеся законам квантовой механики. В отличие от обычных компьютеров, оперирующих битами (0 и 1), квантовые системы используют кубиты, способные находиться в «суперпозиции» — одновременно в состояниях 0 и 1. Хранение информации в виде суперпозиций и манипулирование их значениями с помощью квантовых эффектов, таких как запутанность, открывает возможности для создания принципиально новых алгоритмов.

Однако на практике разработчики квантовых компьютеров столкнулись с тем, что погрешности быстро накапливаются из-за крайней чувствительности компонентов. Квантовый компьютер представляет 0, 1 или их суперпозицию, переводя один из своих элементов в определенное физическое состояние, которое легко нарушить случайным воздействием. В результате компонент оказывается в состоянии, не соответствующем информации, которую он должен представлять. Накопление таких ошибок со временем приводит к тому, что система не может давать точные ответы при выполнении длинных алгоритмов без коррекции погрешностей.

Для осуществления коррекции исследователям необходимо кодировать информацию особым способом. Кубиты можно создавать из различных материалов, например, одиночных атомов или ионов. В случае Google каждый физический кубит представляет собой миниатюрную сверхпроводящую схему, которую необходимо поддерживать при сверхнизкой температуре.

В ранних экспериментах с квантовыми компьютерами каждая единица информации хранилась в одном физическом кубите. Теперь исследователи, включая команду Google, начали экспериментировать с кодированием каждой единицы информации в нескольких физических кубитах. Такую группу физических кубитов они называют одним «логическим» кубитом, способным представлять 0, 1 или их суперпозицию. По замыслу, единый логический кубит может удерживать единицу информации надежнее, чем отдельный физический. Команда Google исправляет неточности в логическом кубите с помощью алгоритма, известного как поверхностный код, который задействует составляющие логического кубита физические кубиты.

В эксперименте логический кубит из 105 физических кубитов подавлял погрешности эффективнее, чем логический из 72 кубитов. По мнению Брауна, это указывает на то, что объединение все большего числа физических кубитов в логический действительно может снизить уровень неточностей. Ученые также сообщают, что время жизни логического кубита в 2,4 раза превышает время жизни лучшей из его физических составляющих.

Однако это открытие — лишь первый шаг на пути к квантовому компьютеру с коррекцией погрешностей, отмечает Джей Гамбетта, вице-президент квантовой инициативы IBM. Он подчеркивает, что хотя Google продемонстрировала более надежную квантовую память, компания пока не выполнила никаких логических операций с информацией, хранящейся в этой памяти.

IBM, чьи квантовые компьютеры также состоят из кубитов на основе сверхпроводящих схем, применяет другой подход. Компания считает, что их метод, известный как код с низкой плотностью проверок на четность, будет легче масштабировать: каждый логический кубит потребует меньше физических для достижения сопоставимых показателей подавления погрешностей. К 2026 году IBM планирует продемонстрировать возможность создания 12 логических кубитов из 244 физических.

Другие исследователи также разрабатывают интересные методы. Вместо сверхпроводящих схем команда, связанная с бостонской компанией QuEra, использует нейтральные атомы в качестве физических кубитов. Ранее в этом году в журнале Nature они опубликовали исследование, показывающее выполнение алгоритмов с использованием до 48 логических кубитов на основе атомов рубидия.

Гамбетта призывает исследователей к терпению и предостерегает от чрезмерного ажиотажа вокруг достигнутого прогресса. «Я просто не хочу, чтобы люди считали, что проблема коррекции ошибок решена», — говорит он. Разработка оборудования занимает много времени, поскольку цикл проектирования, создания и отладки требует значительных усилий, особенно по сравнению с разработкой программного обеспечения».

Для выполнения алгоритмов с гарантированной практической пользой квантовому компьютеру необходимо осуществить около миллиарда логических операций», — добавляет Браун. «И пока никто даже близко не подошел к миллиарду операций».