Вперед у майбутнє. Дослідники Google придумали, як навчити квантові комп’ютери уникати помилок

Швидко пояснимо, що таке кубіт та чим він відрізняється від біта.

Кубіт — мінімальна одиниця інформації у квантовому комп’ютері. Біт — у звичайному. Головна відмінність кубіта від біта полягає в тому, що він може перебувати в стані суперпозиції, тобто у двох станах одночасно — і 0, і 1. Це дозволяє їм зберігати набагато більше даних та проводити виконувати складні обчислення, які не під силу звичайним бітам. Чим більше квантовий комп’ютер має кубітів, тим більше можливих станів йому доступні, завдяки чому він може зберігати більше інформації та проводити обчислення значно швидше.

Щоб квантові комп’ютери могли вирішувати складні завдання, вченим потрібно збільшувати кількість кубітів у них. Проте тут захована неприємна деталь: чим більше кубітів, тим більша ймовірність помилок, які вб’ють усі розрахунки. Тому дуже важливим завданням є відстеження та виправлення цих помилок. Для цього вчені використовують кілька кубітів для кодування т.зв. логічного кубіта — це певне розташування кубітів, що дозволяє їм відловлювати помилки один в одному та захищає систему від втрати інформації.

Цей процес є дуже складним та вимагає специфічних алгоритмів і апаратного забезпечення, проте такий спосіб кодування інформації дозволяє зберегти її та не втратити під час обчислень.

У своєму новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature, дослідницька команда ініціативи Google Quantum AI, у яку входять майже 150 вчених, стверджує, що зуміла розробити надійний спосіб захисту кубітів від помилок. Якщо описати їхній принцип дуже коротко — щоб захистити певну інформацію з одного кубіту, потрібно мати можливість якнайшвидше поширити її на інші кубіти.

Кубіти можна створювати із різноманітних матеріалів — від фотонів світла до вищезазначених часових кристалів. Команда Google створює свої кубіти з надпровідних металів, які можуть втратити усю записану на них інформацію всього за 20 мікросекунд, що не дозволяє вченим проводити серйозні обчислення.

Щоб захистити інформацію на кубітах, інженери Google адаптували тактику, яку використовували для захисту бітів на початку ери звичайних комп’ютерів. Тоді вчені почали масштабувати записану інформацію, передаючи її на інші біти. Це зменшує ризик втрати інформації — навіть якщо шум «вб'є» один із бітів, інформація вже буде записана на інші, завдяки чому комп’ютер зможе визначити, який біт є «неробочим» через шум, порівнюючи усі пов’язані біти та інформацію на них між собою.

Закони квантової механіки забороняють використовувати такий самий підхід у квантових комп’ютерах. Річ у тім, що скопіювати стан кубіта на інший неможливо, адже головна фішка кубітів — це їхня можливість перебувати у кількох станах одночасно (на відміну від біта, який може бути лише 1 чи 0). Вимірювання стану кубіта може знищити усю квантову інформацію, яка зберігалась у ньому, адже у такому випадку його квантовий стан «згортається» в один з двох можливих станів — 0 чи 1, що ніяк не відрізняє його від звичайного біта.

Для захисту інформації, дослідники розробили нову техніку під назвою «поверхневий код». Для цього вони використовували особливий тип логічних кубітів — «трансмонові» кубіти. Від звичайних кубітів вони відрізняються пониженою частотою, завдяки чому він може бути більш стійким до шуму.

Для дослідження вчені використовували квантовий процесор Google Sycamore, створивши логічні кубіти двох різних розмірів: один складався з 17 кубітів, інший — з 49.

Спочатку вчені використовували лазери, щоб налаштувати кубіти та привести їх у правильний стан. Потім за допомогою мікрохвильових імпульсів вони змушували кубіти взаємодіяти один з одним та проводити квантові обчислення. Вимірювання показали, що чим більше фізичних кубітів використовується для зберігання певної інформації, тим більш надійною є ця схема. Тобто, грубо кажучи, кубіти «слідкували» за своїми сусідами та перевіряли їхній стан.

Вимірявши точність роботи логічних кубітів, вчені визначили, чи дійсно вони можуть зберігати квантову інформацію навіть під час змін у навколишньому середовищі. Виявилося, що рівень помилок у меншому логічному кубіті становив близько 2,9% та близько 3% у більшому — це дуже хороший показник, який дозволяє працювати над масштабуванням технології та подальшим її впровадженням у квантові комп’ютери.

Інженери Google хочуть зменшити частоту помилок до 0,0001%. Попри те, що отримані результати все ще далекі від подібних показників, дослідницька команда продемонструвала перспективність такого методу масштабування кількості кубітів у квантовому комп’ютері та запобігання їхній схильності до помилок.

Подальша робота над покращенням цієї техніки дозволить вченим ще більше підвищити точність квантових обчислень. Хоча для створення практичних квантових комп’ютерів потрібно подолати ще велику кількість викликів та вирішити немало задач, метод, описаний дослідницькою командою Google має перспективу виправити одну із головних проблем квантових комп’ютерів.