Чому прорив Google у розробці квантових процесорів такий важливий

Дослідники з Google Quantum AI та їх колеги розробили квантовий процесор із частотою помилок, яка поступово зменшується зі збільшенням кількості кубітів.

Це досягнення є важливою віхою для квантової корекції помилок, оскільки воно, в принципі, може призвести до необмеженого підвищення якості кубітів і, зрештою, до необмеженого збільшення довжини та складності алгоритмів, які можуть запускати квантові комп’ютери.

Шум є невід’ємною ознакою всіх фізичних систем, включаючи комп’ютери. Біти в класичних комп’ютерах захищені від цього шуму завдяки надмірності: деякі дані зберігаються в кількох місцях, тож у разі виникнення помилки її легко визначити та виправити. Однак теорема квантової механіки про заборону клонування диктує, що як тільки квантовий стан виміряно – перший крок до його копіювання – він руйнується. «Деякий час люди були здивовані тим, що квантова корекція помилок взагалі може існувати», — зауважує Майкл Ньюмен (Michael Newman), науковий співробітник Google Quantum AI.

Однак, починаючи з середини 1990-х, фахівці з теорії інформації показали, що цей бар’єр не є нездоланним, і було розроблено кілька кодів для виправлення помилок кубітів. Принцип, який лежить в основі таких підходів, полягає в тому, що кілька фізичних кубітів (таких як окремі атомні енергетичні рівні або стани в надпровідних ланцюгах) можуть бути об’єднані у мережу для створення єдиного логічного кубіта, який разом зберігає квантову інформацію. Потім можна використовувати кубіти «вимірювання», щоб визначити, чи сталася помилка в одному з кубітів «даних», не впливаючи на стан останнього.

У принципі, ця процедура дає змогу нескінченно стабільним кубітам виконувати нескінченно довгі обчислення – але лише якщо частота помилок залишається достатньо низькою. Проблема полягає в тому, що кожен додатковий фізичний кубіт створює нове джерело помилки. Таким чином, збільшення кількості фізичних кубітів у кожному логічному кубіті є палкою о двох кінцях, і подальша стабільність логічного кубіту залежить від кількох факторів. До них відноситься здатність (класичного) програмного забезпечення квантового процесора виявляти та інтерпретувати помилки; використовуваний конкретний код виправлення помилок; і, що важливо, точність самих фізичних кубітів.

У 2023 році Ньюмен і його колеги з Google Quantum AI показали, що код для виправлення помилок, який називається поверхневим кодом (який, за словами розробників, має «один із найвищих коефіцієнтів виправлення помилок серед будь-якого квантового коду») майже дає змогу «виграти» при виправленні помилок шляхом додавання в систему більше фізичних кубітів. Зокрема, вони показали, що логічний кубіт з масивом 5x5, виготовлений з 49 надпровідних трансмон-кубітів, мав дещо нижчий рівень помилок, ніж кубіт масиву 3x3, виготовлений із 17 таких кубітів. Але маржа була невеликою.

В останній роботі, опублікованій в Nature, команда Google Quantum AI на чолі з Хартмутом Невеном (Hartmut Neven) представляє новий надпровідний процесор під назвою Willow з кількома вдосконаленнями в порівнянні з попереднім чіпом Sycamore. До них належать шлюзи (будівельні блоки логічних операцій), які зберігають свою «квантованість» у п’ять разів довше, і розроблений Google Deepmind алгоритм машинного навчання, який інтерпретує помилки в реальному часі. Коли команда використала цю нову технологію для створення дев’яти масивів 3х3 поверхневого коду, чотирьох масивів 5х5 і одного 101-кубітного масиву 7х7 на своєму 105-кубітному процесорі, частота помилок була зменшена на коефіцієнт 2,4, як були додані кубіти.

«Це перший раз, коли ми побачили переконливе, експонентне выправлення помилок у логічних кубітах, оскільки ми збільшуємо кількість фізичних кубітів», — каже Ньюмен. - Це те, що люди намагалися зробити 30 років».

Завдяки шлюзам, які залишаються стабільними годинами поспіль, квантові комп’ютери повинні мати можливість запускати великі складні алгоритми, на які люди завжди сподівалися.

Однак наразі найкращі квантові комп’ютери можуть виконувати близько тисячі операцій, перш ніж помилки переповнять систему обробки, зазначив Стів Браєрлі (Steve Brierley), дослідник квантових обчислень і генеральний директор компанії з виправлення помилок Riverlane.

«Якщо ми хочемо отримати такий великий потенціал, як трансформаційна технологія, нам потрібно отримати мільйони й трильйони безкоштовних операцій», — додав Браєрлі.

Браєрлі порівняв прогрес Google у сфері квантових обчислень із тим, що відчули мобільні мережі, коли вони перейшли з технології 1G на 2G. Тоді «Qualcomm додала виправлення помилок у стек, і це призвело до значного підвищення можливостей, - наголосив Стів Браєрлі. - І це саме те, що зараз відбувається в квантових обчисленнях».  

Реальний вплив на індустрію, ймовірно, пройде через роки. На брифінгу для преси про розробку Google повідомила, що вона вже співпрацює з компаніями у фармацевтиці, матеріалознавстві та виробництві акумуляторів, зокрема. Однак прогрес у цих сферах може бути не за горами.

Марк Саффман (Mark Saffman), професор Університету Вісконсін-Медісон і директор Квантового інституту Вісконсіна, сказав, що він хотів би побачити застосування в реальному світі через п’ять років, але важко назвати точну дату. 

         Новий чіп Willow від Google Quantum AI

Комп’ютерний розум: генеративний штучний інтелект у рішеннях AWS