IBM запустила новое расширение экосистемы Qiskit под названием Qiskit Paulice, призванное повысить надёжность квантовых схем за счёт обнаружения ошибок во время выполнения схемы и последующей фильтрации результатов, которые, вероятно, были ими затронуты. Инструмент использует квантовые проверки, известные как «пространственно-временные проверки Паули» (spacetime Pauli checks), которые непосредственно встраиваются в схему при незначительном увеличении требований к оборудованию и выполнению.
Расширение является частью усилий по развитию методов работы с ошибками в современных квантовых компьютерах — в то время как полностью отказоустойчивая квантовая вычислительная система по-прежнему требует сложного оборудования и большого числа кубитов. IBM заявляет, что разрабатываемые сегодня технологии работы с ошибками помогут прийти к масштабным отказоустойчивым квантовым вычислениям, в которых ошибки исправляются в ходе вычисления; достичь этого планируется к 2029 году.
Как работает Paulice?
Методы работы с квантовыми ошибками обычно относятся к трём группам: подавление ошибок, смягчение их влияния и исправление ошибок. Обнаружение ошибок не является отдельной категорией, а представляет собой основной компонент исправления ошибок и некоторых методов их смягчения, поскольку позволяет определить, было ли конкретное выполнение схемы затронуто ошибкой.
В традиционных методах кубиты данных используются для выполнения вычислений, а вспомогательные кубиты, известные как ancilla, отслеживают остальные кубиты и фиксируют признаки ошибок. Однако добавление этих кубитов и связанных с ними операций может увеличить глубину схемы настолько, что дополнительные операции будут приводить к большему числу ошибок, чем обнаруживать. Paulice разработана для решения этой проблемы посредством размещения выбранных проверок непосредственно в самой схеме.
Каждая проверка Паули выражает ограничение, которое, как предполагается, должно сохраняться во время выполнения схемы. Когда ошибка нарушает это ограничение, она проявляется в «синдроме» измерения — последовательности битов, указывающей на обнаружение ошибки. Если синдром состоит из нулей, ошибка не обнаружена, тогда как любое значение 1 указывает на наличие ошибки согласно используемой проверке.
Проверки с учётом пространства и времени
Пространственно-временные проверки отличаются от традиционных тем, что определяют ограничения не только для кубитов, расположенных в физическом пространстве оборудования, но и для конкретных временных точек внутри выполнения схемы. Это позволяет отслеживать ошибки на протяжённых участках вычисления, избегая части затрат, связанных с измерением операторов высокого веса, которые могут увеличивать глубину схемы, особенно на устройствах с ограниченной связностью между кубитами.
При этом не все проверки одинаково полезны, поскольку каждая проверка добавляет операции, способные создавать дополнительный шум. Поэтому пакет qiskit-paulice использует модель шума и ограничения связности устройства, чтобы выбирать допустимые проверки низкого веса, эффективно обнаруживающие ошибки. Согласно IBM, этот автоматизированный процесс помогает повысить возможности обнаружения, одновременно ограничивая затраты на кубиты и глубину схемы.
Что даёт практическое использование?
После выполнения схемы информацию о синдроме можно использовать по-разному. Самый простой способ — сохранять выполнения, в которых ошибка не обнаружена, и отбрасывать выполнения, где появились признаки ошибки; таким образом Paulice превращается в разновидность исправления ошибок с постселекцией (postselected error correction). Информацию о синдроме также можно объединять с другими методами смягчения или исправления ошибок.
Инструмент особенно поддерживает схемы Clifford и схемы, в которых доминируют элементы этого типа, например схемы на основе вентилей Hadamard, Phase и CNOT. Такие схемы отличаются тем, что их поведение математически понятно и может эффективно моделироваться на классических компьютерах, что делает их подходящими для разработки и тестирования методов работы с ошибками.
Расширение включает учебный путь по созданию схемы Clifford с 12 кубитами и четырьмя слоями вентилей запутывания, последующему определению кубитов данных и вспомогательных кубитов с учётом связности устройства, а также созданию модели шума на основе данных платформы. В примере, приведённом в материале, инструмент добавил к схеме семь проверок. В следующем уроке объясняются выполнение проверенной схемы, выборка, проверка синдромов, отбор свободных от ошибок выборок и сравнение точности результатов до и после обнаружения ошибок.
Доступность и дальнейшая разработка
Документация и учебные материалы Qiskit Paulice, а также репозиторий GitHub для загрузки расширения доступны в открытом исходном коде. IBM сообщает, что команда планирует добавить поддержку систем, не относящихся к Clifford, анализ каналов шума после постселекции и улучшить работу с шумом простоя при выборе проверок. В материале также упоминается использование концепций пространственно-временных проверок в эксперименте IBM и Чикагского университета, связанном с выборкой из состояний широкомасштабных случайных графов.