Google снизила ошибки квантового процессора Willow в 40 раз

Метод, разработанный исследователями Google Quantum AI, отбраковывает состояния с обнаруженными ошибками. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science. По сообщению Google, проверку провели на работающем оборудовании, но для практических задач её ещё нужно повторить в большем масштабе.

Метод называется «выращивание магических состояний». Исследователи вводят состояние с ошибками в небольшую область чипа, а затем проводят последовательность согласованных измерений. Если проверка обнаруживает дефект, попытку отбрасывают. Состояния, прошедшие отбор, можно преобразовать в более крупную форму для нужных квантовых операций.

По сравнению с состояниями, подготовленными без этого метода, число ошибок на Willow сократилось примерно в 40 раз. Исследователи также получили T-состояния с рекордной, по оценке Google, логической точностью 99,99%. Издание Decrypt приводит ещё одну характеристику опыта: проверки прошли примерно в 8% попыток. Остальные состояния отбрасывали.

Проверить результат оказалось сложнее, чем ожидала команда. В ходе первых испытаний исследовательница Google Quantum AI Эмма Розенфельд получила данные, которые выглядели противоречащими законам физики. Несколько месяцев проверок показали, что дрейф электрического оборудования и изменения температуры в лаборатории создавали помехи. Из-за них прежний способ оценки давал некорректный результат. Команда усилила контроль над системой и разработала новый метод измерения, который позволяет оценивать работу самого процесса выращивания.

Магические состояния для квантовых вычислений

О препятствии, связанном с этой работой, исследователи знают с 2004 года. Для выполнения полезных квантовых программ нужен определённый набор операций с исправлением ошибок. Подготовленные для них магические состояния расходуются при использовании — одно и то же состояние нельзя применить повторно. Поэтому компьютеру приходится создавать новые состояния по мере вычислений.

Получение состояний с достаточно малым числом ошибок обходится дорого. Согласно оценкам, на которые ссылается Google, подготовка может потребовать до 95% мощности квантового компьютера. На сами вычисления останется лишь небольшая часть ресурсов. Выращивание должно уменьшить эту нагрузку, но отдельный эксперимент пока не показывает, сколько ресурсов удастся сэкономить в крупной системе.

В 2024 году исследователи Google Quantum AI Крейг Гидни, Ноа Шатти и Коди Джонс доработали теоретическую идею и предложили протокол выращивания. Теперь команда испытала его на Willow. Исследователи перенесли очищенные состояния между двумя способами исправления ошибок: из цветового кода с расстоянием 3 в поверхностный код с расстоянием 5. Это показало, что состояния сохраняются при таком переходе внутри оборудования Google.

Google планирует проверить выращивание в большем масштабе. По данным Decrypt, в нынешнем эксперименте задействовали не более 54 из 105 кубитов Willow. Для сравнения, издание приводит оценку из научной работы: разложение ключа RSA-2048 потребовало бы магических состояний с частотой ошибок около одного на 10 млрд — примерно в миллион раз ниже достигнутой в этом опыте.