Ученые стали на шаг ближе к "квантовому превосходству"

Ученые создали набор "логических кубитов", частота ошибок которых в 800 раз ниже, чем у физических кубитов. Это прокладывает путь к созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров.

Квантовые биты, или кубиты, по своей сути подвержены ошибкам — такая подверженность описывается как "зашумленность". Создание логических кубитов - один из способов решения этой проблемы. Это набор физических кубитов, которые связаны посредством квантовой запутанности — и они уменьшают количество ошибок за счет хранения одной и той же информации в разных местах. Это позволяет определить возможные точки отказа во время выполнения расчетов.

В новой статье, опубликованной 2 апреля на сервере препринтов arXiv, ученые продемонстрировали, что могут проводить эксперименты с четырьмя логическими кубитами, созданными с использованием 30 из 32 физических кубитов в квантовом процессоре H2 Quantinuum.

Исследователи из компаний Quantinuum и Microsoft провели 14 000 экспериментов без каких-либо ошибок на базовой квантовой схеме, состоящей из логических кубитов.

Теперь они надеются, что эта технология может быть интегрирована в будущий гибридный суперкомпьютер, оснащенный 100 надежными логическими кубитами, — этого будет достаточно, чтобы обеспечить научное преимущество.

Одной из самых больших проблем масштабирования квантовых компьютеров, помимо оборудования, необходимого для их запуска, является чрезвычайно высокая частота ошибок в кубитах - примерно 1 к 100. Для сравнения, частота ошибок новых логических кубитов составляет всего 1 к 100 000.

Исследователи добились этого улучшения, применив метод, называемый "активным извлечением синдрома", к кубитам с ионными ловушками Quantinuum и архитектуре квантовых вычислений.

Этот метод включает диагностику и исправление ошибок во время выполнения вычислений без разрушения логических кубитов. Поскольку кубиты обрабатывают вычисления, находясь в состоянии квантовой суперпозиции между двумя двоичными состояниями (представляющими 1 и 0 вычислительных данных), вы не можете просматривать их, не вызывая декогеренции, при которой суперпозиция разрушается. 

Активное извлечение синдрома - это процесс, при котором логический кубит включает в себя небольшое количество физических кубитов, называемых вспомогательными кодовыми блоками. Они не хранят данные для вычислений, но в них временно хранится информация логического кубита, чтобы ее можно было видеть. Применив эту технику, ученые смогли заглянуть внутрь блока, затем выявить и исправить ошибки по мере их появления, не прерывая вычисления.

“Прорывы в области квантовой коррекции ошибок и отказоустойчивости важны для осознания долгосрочной ценности квантовых вычислений для научных открытий, - говорит Трэвис Хамбл, директор Центра квантовых наук Национальной лаборатории Ок-Ридж, который не принимал участия в текущем исследовании. - Подобные результаты позволяют продолжать разработку систем квантовых вычислений для исследований и разработок”.

Представители Microsoft утверждают, что это исследование представляет собой переход к тому, что они называют квантовыми вычислениями "уровня 2". Теперь ученые располагают квантовым оборудованием с низким уровнем ошибок, которое можно масштабировать для надежного решения проблем. 

Цель состоит в том, чтобы добраться до машин третьего уровня и достичь так называемого “квантового превосходства”, то есть достичь точки, на которой квантовые компьютеры будут более мощными и дееспособными, чем самые быстрые суперкомпьютеры.