Как Google планирует решить проблему точности квантовых вычислений

Хотя показатель точности улучшился лишь на небольшой процент, компания утверждает, что это "большой шаг вперед".

Отредактировано 2023-25-06
квантовый процессор googleВзгляд на квантовый процессор Google.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Nature, исследователи квантового искусственного интеллекта Google продемонстрировали способ уменьшения ошибок в квантовых компьютерах путем увеличения количества работающих "кубитов". По словам генерального директора Google Сундара Пичаи, это "большой шаг вперед" к тому, чтобы "сделать квантовые приложения значимыми для человеческого прогресса".

Традиционные компьютеры используют двоичные биты, которые могут быть либо нулем, либо единицей, для выполнения вычислений. Играете ли вы в видеоигру, редактируете текстовый документ или создаете искусственный интеллект, все основные вычислительные задачи представлены в виде двоичных строк. Но есть некоторые виды сложных вычислений, например, моделирование атомных взаимодействий, которые невозможно выполнить в масштабе традиционных компьютеров. Исследователям приходится полагаться на приближенные вычисления, что снижает точность моделирования и делает весь процесс в некоторой степени бессмысленным.

Именно здесь на помощь приходят квантовые компьютеры. Вместо обычных битов в них используются кубиты, которые могут быть нулем, единицей или и тем, и другим одновременно. Их можно даже запутывать, вращать и манипулировать другими специфическими квантовыми способами. Работоспособный квантовый компьютер не только позволит исследователям лучше понять молекулярные взаимодействия, но и даст возможность моделировать сложные природные явления, легче обнаруживать мошенничество с кредитными картами и открывать новые материалы. (Конечно, есть и некоторые потенциальные недостатки - квантовые компьютеры могут нарушить классические алгоритмы, которые сегодня обеспечивают безопасность всего - от паролей и банковских операций до корпоративных и государственных секретов).

Однако пока все это в значительной степени теоретически. Квантовые компьютеры в настоящее время слишком малы и подвержены ошибкам, чтобы изменить мир. Последние исследования Google в какой-то мере направлены на решение второй половины проблемы. (IBM пытается решить первую половину).

Проблема в том, что квантовые компьютеры невероятно чувствительны ко всему. Они должны работать в герметичных, криогенно охлаждаемых корпусах. Даже шальной фотон может заставить кубиты "развоплотиться" или потерять свое квантовое состояние, что создает всевозможные дикие ошибки, мешающие вычислению задачи. До сих пор добавление большего количества кубитов означало также увеличение шансов получить случайную ошибку.

По данным Google, квантовый процессор Sycamore третьего поколения с 53 кубитами обычно имеет коэффициент ошибок от 1 к 10 000 до 1 к 100. Это на порядки выше для решения реальных задач; исследователи Google считают, что для этого нам понадобятся кубиты с коэффициентом ошибок от 1 к 1 000 000 000 до 1 к 1 000 000 000.

К сожалению, маловероятно, что кому-то удастся добиться такого увеличения производительности с помощью существующих конструкций физических кубитов. Но, объединив несколько физических кубитов в один логический, компания Google смогла продемонстрировать потенциальный путь вперед.

Исследовательская группа приводит простой пример того, почему такая установка может уменьшить количество ошибок: Если "Боб хочет послать Алисе один бит, который читается как "1", по зашумленному каналу связи. Понимая, что сообщение будет потеряно, если бит перейдет в "0", Боб вместо этого посылает три бита: '111'. Если один из них ошибочно перевернется, Алиса сможет проголосовать большинством голосов (простой код коррекции ошибок) за все полученные биты и все равно поймет задуманное сообщение".

Поскольку кубиты имеют дополнительные состояния, в которые они могут переходить, все немного сложнее. Не помогает и то, что, поскольку мы имеем дело с квантами, прямое измерение их значений может привести к потере их "суперпозиции" - квантовой причуды, позволяющей им одновременно иметь значения "0" и "1". Чтобы преодолеть эти проблемы, необходима квантовая коррекция ошибок (КИК), при которой информация кодируется через несколько физических кубитов для создания одного логического кубита.

Исследователи расположили два типа кубитов (один для работы с данными, а другой для измерения ошибок) в виде шашечной доски. Согласно Google, ""данные" кубиты на вершинах составляют логические кубиты, а "измерительные" кубиты в центре каждого квадрата используются для так называемых "стабилизирующих измерений"". Измерительные кубиты способны определить, когда произошла ошибка, не "раскрывая значения отдельных информационных кубитов" и тем самым разрушая состояние суперпозиции.

Для создания одного логического кубита исследователи Google использовали 49 физических кубитов: 25 кубитов данных и 24 измерительных кубита. Важно отметить, что они протестировали эту систему в сравнении с логическим кубитом, состоящим из 17 физических кубитов (9 кубитов данных и 8 кубитов меры), и обнаружили, что большая сетка превосходит меньшую по точности примерно на 4%. Несмотря на небольшое улучшение, это первый случай в данной области, когда добавление большего количества кубитов уменьшило количество ошибок, а не увеличило его. (Теоретически, сетка из 577 кубитов будет иметь коэффициент ошибок, близкий к целевому 1 к 10 000 000).

И несмотря на недавние увольнения, Google, похоже, намерен продолжать квантовые исследования. В своем блоге Пичаи пишет, что Google "продолжит работать над тем днем, когда квантовые компьютеры смогут работать в тандеме с классическими компьютерами, чтобы расширить границы человеческих знаний и помочь нам найти решения некоторых из самых сложных мировых проблем".