Google wykorzystuje „magię”, by ograniczyć błędy w obliczeniach kwantowych

Badacze Google zaprezentowali nowy sposób ograniczania błędów w obliczeniach kwantowych, przybliżając firmę do budowy maszyn zdolnych do rozwiązywania praktycznych problemów. Technika, nazwana „hodowlą stanów magicznych” i przetestowana na procesorze kwantowym Willow tej firmy, zmniejszyła liczbę błędów przygotowania około 40-krotnie i pozwoliła uzyskać stany kwantowe o wierności logicznej 99,99 %.

Termin „stany magiczne” jest ugruntowanym pojęciem w informatyce kwantowej, a nie odniesieniem do zjawisk nadprzyrodzonych. Stany te umożliwiają komputerom kwantowym wykonywanie pewnych operacji niezbędnych do uniwersalnych obliczeń kwantowych, w tym operacji realizowanych za pomocą bramek T. Ponieważ stany magiczne są zużywane podczas obliczeń i nie można ich ponownie wykorzystać, ich niezawodne wytwarzanie na dużą skalę stanowi poważne wyzwanie inżynieryjne.

Dotychczasowe metody wytwarzania stanów magicznych wykorzystują proces zwany destylacją stanów magicznych, który polega na łączeniu wielu niedoskonałych stanów w celu uzyskania mniejszej liczby bardziej niezawodnych stanów. Według Google proces ten może pochłaniać znaczną część zasobów komputera kwantowego, pozostawiając mniej mocy na właściwe obliczenia.

Metoda hodowli opracowana przez Google opiera się na innym podejściu. Zamiast przetwarzać duże grupy niedoskonałych stanów, system przygotowuje pojedyncze stany i wielokrotnie je sprawdza za pomocą pomiarów zaprojektowanych tak, aby wykrywać błędy bez niszczenia badanych stanów. Próby, które nie przejdą kontroli, są odrzucane, dzięki czemu pozostają tylko najbardziej wiarygodne wyniki.

Na procesorze Willow firmy Google technika ta zmniejszyła liczbę błędów przygotowania około 40-krotnie w porównaniu ze stanami przygotowanymi bez hodowli. Uzyskane stany osiągnęły wierność logiczną 99,99 %, co wskazuje na bardzo niski poziom błędów. Taka dokładność miała jednak swoją cenę: w seriach eksperymentów o najbardziej rygorystycznych kryteriach odrzucano około 92 % prób, pozostawiając do wykorzystania zaledwie 8 %.

Pomiar tak niewielkich błędów również stanowił wyzwanie. Zespół opracował technikę zwaną tomografią typu kickback po odkryciu, że wahania temperatury i szum pochodzący z urządzeń elektrycznych zniekształcały początkowe pomiary. Następnie badacze wykazali, że wyhodowane stany można przenieść do większego kwantowego kodu korekcji błędów, choć przeniesienie wprowadzało dodatkowe błędy.

Eksperyment nie zapewnia kompletnego komputera kwantowego odpornego na błędy. Zamiast tego dotyczy konkretnego wąskiego gardła inżynieryjnego: wytwarzania wysokiej jakości stanów potrzebnych do użytecznych obliczeń bez przeznaczania nadmiernych zasobów sprzętowych na ich przygotowanie.