Microsoft и Quantinuum сегодня объявили о крупном прорыве в квантовой коррекции ошибок. Используя аппаратное обеспечение ионных ловушек Quantinuum и новую систему квантовой виртуализации Microsoft, команда смогла провести более 14 000 экспериментов без единой ошибки. Эта новая система также позволила команде проверять логические кубиты и исправлять любые ошибки, с которыми она сталкивалась, не уничтожая логические кубиты.
Это, по словам обеих компаний, теперь вывело передовое состояние квантовых вычислений за пределы того, что обычно называют эрой шумных квантовых компьютеров с промежуточными масштабами (NISQ). "Шумные" потому что даже самые малые изменения в окружающей среде могут привести к тому, что квантовая система фактически становится случайной (или "декогерентной"), и "промежуточного масштаба" потому что текущее поколение квантовых компьютеров все еще ограничено всего лишь немногим более тысячи кубитами в лучшем случае. Кубит – это фундаментальная единица вычислений в квантовых системах, аналогичная биту в классическом компьютере, но каждый кубит может находиться в нескольких состояниях одновременно и не попадает в конкретное положение до измерения, что лежит в основе потенциала квантовых систем для предоставления огромного прыжка в вычислительной мощности.
Однако не имеет значения, сколько у вас кубитов, если у вас едва хватает времени на запуск основного алгоритма, до того как система становится слишком шумной, чтобы получить полезный результат — или вообще какой-либо результат.
Комбинируя несколько различных техник, команда смогла провести тысячи экспериментов практически без ошибок. Это потребовало немало подготовки и предварительного выбора систем, которые уже выглядели подходящими для успешного запуска, но, тем не менее, это огромное улучшение по сравнению с тем, где находилась индустрия всего лишь недавно.
Это шаг в правильном направлении для квантовых вычислений. Все еще есть множество проблем, которые нужно решить (и, конечно, эти результаты также нужно воспроизводить), но теоретически, компьютер с 100 такими логическими кубитами уже мог бы быть полезен для решения некоторых задач, в то время как машина с 1 000 кубитами, по словам Microsoft, "разблокирует коммерческое преимущество".
Команда использовала процессор Quantinuum H2 с ионными ловушками и смогла объединить 30 физических кубитов в четыре высоконадежных логических кубита. Кодирование нескольких физических кубитов в один логический кубит помогает защитить систему от ошибок. Физические кубиты спутаны вместе, так что становится возможным обнаружить ошибку в физическом кубите и исправить ее.
Именно эту коррекцию ошибок квантовое сообщество давно беспокоит: Чем меньше шум и чем выше качество физических кубитов, тем лучше, конечно, но без сложной коррекции ошибок нет выхода из эры NISQ, потому что эти системы рано или поздно начнут декогерировать.
"Простое увеличение количества физических кубитов с высокой ошибкой — без улучшения этой ошибки — беспочвенно, потому что это приведет к тому, что большой квантовый компьютер не будет более мощным, чем раньше", — написали в сегодняшнем объявлении Деннис Том, генеральный менеджер Azure Quantum, и Криста Свор, вице-президент по развитию передовых квантовых технологий в Microsoft. "Напротив, когда используются физические кубиты с достаточным качеством работы вместе с специализированной системой управления и диагностики для обеспечения виртуальных кубитов, только в этом случае увеличение количества физических кубитов приводит к созданию мощных, устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров, способных выполнять более длительные, более сложные вычисления".
Всего пару лет назад логические кубиты начали превосходить физические кубиты. Теперь Microsoft и Quantinuum утверждают, что их новая аппаратно-программная система демонстрирует наибольшую разницу между физическими и логическими коэффициентами ошибок, улучшая использование только физических кубитов вплоть до 800 раз.
Исследователи отмечают, что для выхода за пределы NISQ необходимо большое различие между коэффициентами ошибок логических и физических кубитов, а также способность к коррекции индивидуальных ошибок цепей и к генерации спутанности между как минимум двумя логическими кубитами. Если эти результаты подтвердятся, то команда достигла всех трех и мы действительно вошли в стабильную эру эру устойчивых квантовых вычислений.
Как оказалось, самым важным результатом здесь на самом деле может быть способность команды производить "активное извлечение синдрома" — то есть способность диагностировать ошибку и исправить ее, не уничтожая логический кубит в процессе.
"Это достижение становится первым шагом к возможности исправления ошибок, не уничтожая логические кубиты, и демонстрирует фундаментальный веховой момент в квантовой коррекции ошибок", объясняют Том и Свор. "Мы продемонстрировали этот критический компонент надежного квантового компьютера с нашей системой виртуализации кубитов, что привело к низкой вероятности ошибок логического уровня за несколько раундов извлечения синдрома".
Теперь всему квантовому сообществу придется воспроизводить эти результаты и реализовывать аналогичные системы коррекции ошибок. Однако, скорее всего, это только вопрос времени.
"Сегодняшние результаты являются историческим достижением и замечательным отражением того, как эта коллаборация продолжает толкать границы для квантовой экосистемы", — сказал Ильяс Хан, основатель и главный продуктовый директор Quantinuum. "С усовершенствованной системой коррекции ошибок Microsoft, которая сочетается с самым мощным квантовым компьютером в мире и полностью интегрированным подходом, мы так рады следующему этапу в квантовых приложениях и не можем дождаться, когда увидим, как наши клиенты и партнеры извлекут пользу из наших решений, особенно по мере развития масштабных квантовых процессоров".
Для получения дополнительных подробностей вы можете найти техническую статью здесь.
