Google Quantum AI объявила, что на практике реализовала на своём квантовом процессоре Willow технологию, известную как «культивирование магических состояний» (magic state cultivation), добившись примерно 40-кратного снижения количества ошибок по сравнению с некультивированными состояниями. Результаты опубликованы в журнале Science. По словам компании, этот шаг помогает решить одну из самых сложных ресурсных проблем, препятствующих масштабированию квантовых вычислений для практических приложений.
Почему магические состояния становятся узким местом?
Универсальным квантовым вычислениям необходим определённый набор операций, чтобы запускать полезные программы, выходящие за пределы возможностей традиционных вычислений. Для выполнения этих операций создаются специальные квантовые состояния, называемые «магическими состояниями», которые затем используются в операциях с коррекцией ошибок. Однако создание высококачественных состояний с коррекцией ошибок требует огромных ресурсов: согласно оценкам, приведённым Google, на их производство может уходить до 95% мощности квантового компьютера вместо выполнения самих вычислений.
Проблема усугубляется тем, что магическое состояние расходуется при использовании и не может применяться повторно, что делает его редким ресурсом квантовой системы.
Как работала технология культивирования?
Идея, разработанная исследователями Google Quantum AI на основе предыдущих работ, заключается во введении зашумлённого состояния в небольшой участок чипа с последующим проведением серии согласованных измерений для выявления и отбраковки неудачных попыток. Таким образом выращивается чистое квантовое состояние с низким уровнем ошибок, одновременно адаптируемое к более крупному кодированию, которое можно использовать внутри компьютера.
Основной задачей было превратить теоретическую идею в систему, работающую на реальном оборудовании. В ходе испытаний команда обнаружила, что дрейф электрического оборудования и изменения температуры создавали определённый тип шума, влиявший на пригодность метода измерения, использовавшегося для оценки результатов. После моделирования, проверок согласованности и пересмотра допущений исследователи добавили средства управления для снижения влияния шума и разработали новую методику измерений, в которой сам процесс культивирования используется как инструмент калибровки.
Результаты измерений и практические изменения
На процессоре Willow протокол обеспечил 40-кратное снижение количества ошибок по сравнению с некультивированными состояниями, а также создал состояния T с логической точностью 99,99% — результат, который Google назвала новым рекордным уровнем в квантовых измерениях.
Команда также продемонстрировала возможность перехода между двумя типами квантовой коррекции ошибок: «цветовыми кодами» (color codes), подходящими для процесса культивирования, и «поверхностными кодами» (surface codes), являющимися более устоявшимся методом. Это включало перенос состояний из цветового кода с расстоянием 3 в поверхностный код с расстоянием 5 при сохранении очищенных состояний и их перемещении внутри оборудования.
Что ещё не решено?
Результат не доказывает, что практические квантовые вычисления уже стали доступными. Google признаёт, что культивирование магических состояний необходимо продемонстрировать в более крупном масштабе, чтобы оно стало реалистичным для полезных квантовых вычислений; кроме того, сохраняются и другие инженерные и технические проблемы. Фактическая ценность достижения заключается в том, что оно переводит центральную идею из области теории в успешный эксперимент на реальном процессоре и предлагает возможный путь к сокращению объёма ресурсов, необходимых для создания квантового компьютера с коррекцией ошибок.