Кубиты — квантовый аналог обычных цифровых битов — хрупки и склонны к ошибкам. Из-за этого создать надёжный квантовый компьютер крайне трудно. Одно из решений — традиционная дистилляция магических состояний, которая отфильтровывает дефекты, но требует очень много ресурсов.
Другое возможное решение — культивация магических состояний. Она очищает зашумлённое магическое состояние (специально подготовленное квантовое состояние, необходимое для сложных вычислений) прямо внутри защищённого кубита. Однако этот подход ещё ни разу не удалось успешно проверить на реальном оборудовании.
Но впервые в истории квантовых вычислений исследователи Google Quantum AI продемонстрировали культивацию магических состояний на Willow — сверхпроводящем процессоре, — и это резко снизило число ошибок.
Очистка зашумлённых квантовых состояний
Сначала команде нужны были ошибки, которые предстояло исправлять.
Поэтому в эксперименте исследователи закодировали зашумлённое магическое состояние в нескольких физических кубитах: квантовая информация была распределена по небольшой сетке кубитов, чтобы защитить её от ошибок.
Затем они попытались устранить ошибки в зашумлённом состоянии с помощью вспомогательных кубитов, которые просматривают информацию в поисках ошибок, не разрушая саму хрупкую информацию.
Если проверки обнаруживали какие-либо дефекты, система отбрасывала эту попытку и начинала заново. Если попытка проходила все тесты, очищенное магическое состояние сохранялось для дальнейшей обработки.
Резкое снижение числа ошибок
Результаты, опубликованные в журнале Science, оказались впечатляющими. «Культивация снижает ошибку в 40 раз», — написали учёные. В итоге были получены очищенные магические состояния с достоверностью (fidelity) не менее примерно 99,99% — это показатель того, насколько точно подготовленное квантовое состояние соответствует задуманному.
Для проверки столь малых уровней ошибки потребовался новый подход, и учёные разработали метод проверки, названный томографией с обратным воздействием (kickback tomography). Он позволяет обнаруживать оставшиеся ошибки, используя гораздо меньше измерений, чем традиционные методы.
Фильтрация при этом была строгой: все проверки, использованные для оценки достоверности состояния, прошли лишь около 8% первоначальных попыток.
Исследователи также перенесли эти выращенные магические состояния в более крупную защитную структуру, совместимую с поверхностным кодом — системой, предназначенной для защиты квантовой информации от ошибок. Это говорит о том, что очищенные квантовые состояния можно переносить в более крупные коды для будущего хранения и использования. «В целом наши результаты по «прививке» — это демонстрация принципа: магическое состояние переходит в выгодный код».
Исследование затрагивает одно из главных препятствий на пути квантовых вычислений — огромный объём дополнительного оборудования, необходимого для создания особых состояний для универсальных вычислений. Культивация помогает тем, что очищает зашумлённые состояния прямо внутри защищённого кубита, что потенциально снижает ресурсы, необходимые для их получения.
Следующие шаги в развитии этой технологии включают её масштабирование для более крупных квантовых компьютеров.