Google объявляет о прорыве в устранении узкого места в основных ресурсах квантовых вычислений: ошибка расчета Willow уменьшена в 40 раз

Аннотация:

Google объявила, что команда Google Quantum Artificial Intelligence успешно преодолела ключевое узкое место в квантовых вычислениях: она продемонстрировала, что решение «выращивания магического состояния» осуществимо на процессоре Willow, а ошибка снижается примерно в 40 раз по сравнению с отсутствием использования этой технологии. Этот революционный результат был опубликован сегодня в журнале Science и является ключевым шагом в продвижении крупномасштабного практического применения квантовых вычислений.

Магическое узкое место

Еще в 2004 году, задолго до того, как квантовые вычисления стали практическим инженерным направлением, исследователи предсказали серьезное узкое место.

Хотите реализовать

универсальные квантовые вычисления

, чтобы запустить программу, имеющую практическую ценность, она должна быть способна выполнять определенный набор квантовых операций. Это достигается путем предварительной подготовки так называемых «магических состояний», названных так потому, что эти квантовые состояния могут генерировать квантовые операции, выходящие за рамки тех, которые необходимы для классических вычислений.

Но здесь есть проблема: производство качественных монстров с исправленными ошибками чрезвычайно ресурсозатратно. По некоторым оценкам, квантовый компьютер может использовать до 95% всей вычислительной мощности для генерации магических состояний, оставляя очень мало ресурсов для реальных вычислений. Есть еще одна трудность: однажды использованное магическое состояние не может быть использовано повторно и является дефицитным ресурсом.

Поэтому в течение последних двух десятилетий научные исследователи постоянно сокращали ресурсные затраты на подготовку магического состояния.

Как добиться этого прорыва

В 2024 году исследователи Google Quantum AI Крейг Гидни, Ноа Шульти и Коди Джонс позаимствовали идеи из литературы и оптимизировали их для разработки того, что сейчас называется

Культивированием магического состояния

технология. Ожидается, что эта программа позволит значительно сократить потребление ресурсов. Основная идея такова: процесс выращивания подобен фильтру. Шумные квантовые состояния вводятся в небольшую область квантового чипа, а затем выполняется серия высокоскоординированных измерений для устранения ошибок и исключения неквалифицированных образцов. Команда Крейга доказала, что с помощью этого метода можно «культивировать» квантовые состояния с чрезвычайно высокой чистотой и низкой ошибкой, а также одновременно преобразовывать их в более масштабные и практичные формы кодирования.

Это решение дает отличные теоретические результаты. Если его удастся реализовать на квантовом оборудовании, это сможет значительно уменьшить масштаб квантовых компьютеров, необходимых для практических задач.

Как и многие исследования и разработки новых технологий, реализация проекта требует ряда технологических инноваций и инженерных исследований.

Один пример: впервые тестируя протокол культивирования, исследователь квантового искусственного интеллекта Google Эмма Розенфилд наблюдала данные, которые, казалось, противоречили законам физики. После нескольких месяцев устранения неполадок, моделирования, коллегиальных обсуждений и проверок согласованности она обнаружила, что проблема возникла из-за неверных предположений в обычно используемых командой методах измерения. В частности, тип шума, вызванный дрейфом и колебаниями температуры в лабораторном электрооборудовании, мешает достоверности результатов эталонных испытаний. Команде необходимо одновременно скорректировать теоретическую основу и инженерные планы. Исследовательская группа добавила в систему дополнительные методы управления, чтобы ослабить воздействие шума; он также создал набор методов эталонного тестирования, чтобы использовать саму технологию в качестве инструмента измерения для решения проблемы в корне.

Опираясь на это достижение, а также на новые алгоритмы и инженерные решения, Google вывел технологию квантовых измерений на новый высший уровень. На процессоре Google Quantum AI Willow этот протокол обеспечивает сжатие ошибок до 40 раз по сравнению с квантовыми состояниями без обработки культивирования; В результате точность логики Т-состояния достигает рекордного уровня 99,99%.

Этот результат опубликован в журнале Science. Впервые мы продемонстрировали реальное решение одной из самых серьезных проблем с ресурсами в квантовых вычислениях и доказали на реальном оборудовании, что Google может эффективно подготовить это ключевое магическое состояние.

Результаты исследования и перспективы

Google также первоначально подтвердил, что теория, предложенная Крейгом и другими, может быть адаптирована к архитектуре квантовых вычислений. Команда реализовала переключение между «цветовым кодом» (новый тип квантового кода исправления ошибок, очень подходящий для культивирования магических состояний) и «поверхностным кодом» (более зрелая схема исправления ошибок), прививая квантовое состояние цветового кода с расстоянием 3 к поверхностному коду с расстоянием 5. Этот протокол прививки впервые появился в теоретической статье в 2024 году. Этот эксперимент подтвердил, что очищенное квантовое состояние может стабильно сохраняться и плавно передаваться в аппаратном обеспечении.