Подразделение Google Quantum отчиталось о том, что им удалось достичь экспоненциального роста коррекции ошибок при увеличении матрицы логического кубита. Это достижение, по идее, гарантирует, что сверхпроводящая платформа для квантовых вычислений наконец-то готова к дальнейшему масштабированию уже широкими шагами.
Эпоха «квантовой гонки» началась в 2010-е годы, во многом из-за того, что Google заявили о том, что они всерьез занялись проектированием своего квантового компьютера. Подразделение Google Quantum возглавил Джон Мартинис из Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) — один из ведущих специалистов в этой области. Мартинис занимается разработкой квантовых чипов на базе сверхпроводников, так что получив от IT-гиганта внушительный чек, он сразу же взялся за дело. Первая задача, которую поставили перед собой Google Quantum, на бумаге выглядела довольно простой — продемонстрировать, что квантовый компьютер это реальная машина, а не просто красивая идея Ричарда Фейнмана.
С этой задачей команда под началом Мартиниса формально справилась пять лет назад, в 2019 году, когда провела эксперимент по достижению так называемого квантового превосходства: их квантовый вычислитель Sycamore за три с небольшим минуты решил задачу, — генерацию квазислучайных чисел — на воспроизведение которой у классического ушло больше времени (группа Мартиниса утверждала, что суперкомпьютеру Summit придётся потратить 10 000 часов; в IBM, которым принадлежит Summit, назвала цифру 2,5 дня; в апреле 2021-го учёные из Института теорфизики Китайской академии наук воспроизвели эксперимент Google на 60-ти GPU, получив итоговый результат за пять дней, а в 2024-м, взяв уже 1432 графических процессора, справились за минуту).
«Настоящая работа по квантовому превосходству вышла, на самом деле, в октябре этого года, где учёные показали похожий эксперимент по сэмплированию случайных цепочек на большем регистре и со значительно большей глубиной, — отзывается о статусе “квантовой гонки” Глеб Фёдоров, старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. — Действительно, алгоритмы сжатия тензорных сетей, которые приближенно описывают квантовые состояния, справлялись с задачей, которую решали в Google в 2019 году, а теперь лучшее классическое решение на Sycamore займёт 12 лет, а на Willow — 10^25 лет».
В любом случае, в достижении 2019 года было определённое лукавство. Дело в том, что алгоритм, который исполнял квантовый компьютер Google, устойчив к ошибкам и не требует, соответственно их корректировки. И, в действительности, для того чтобы всерьез говорить об успешном испытании квантового вычислителя, необходимо решить именно эту задачу.
Концептуальное её решение существует — оно принадлежит физику Алексею Китаеву (кстати, выпускнику Физтеха!). Более того, именно тогда, когда Мартинис показал, каким образом можно реализовать поверхностный код (surface code) Китаева на матрице сверхпроводящих кубитов, им и заинтересовались в Google.
В схеме Китаева кубиты расположены в виде шахматной доски, где «белые» кубиты используются для выполнения логических операций, а «черные» занимаются контролем. Каждый «черный» кубит связан с четырьмя «белыми» — соответственно, если его чётность изменилась, то это значит, что изменилось состояние какого-то из контролируемых им кубитов. Поскольку каждый контрольный кубит имеет со своим «коллегой» по два общих «белых» кубита, мы можем выяснить, где именно произошла декогеренция и сделать поправку на это.
Таким образом становится возможно косвенным образом проверять качественность квантового состояния кубита, не нарушая его. Как следствие, собрав такую решетку из физических кубитов, вы получите виртуальный логический кубит, время жизни которого будет превосходить время жизни каждого отдельного физического кубита.
Зачем это нужно? Затем, что физические кубиты на базе сверхпроводников хороши, тем, что их чисто технически довольно просто сделать, но это преимущество они компенсируют тем, что то и дело норовят перестать «квантоваться». Оттого, собственно, учёным и требуются все эти ухищрения с коррекцией ошибок. Но чтобы с этим можно было справиться программными методами, нужно, чтобы этих ошибок было не так много. То есть физические кубиты должны быть достаточно стабильны.
«Мы не можем гарантировать сохранение состояния одиночного физического кубита, — объясняет Фёдоров. — Поэтому нам приходится делать логические кубиты, состоящие из избыточного числа физических. Весь регистр, который сейчас был сделан, эти 97 физических кубитов, кодируют один логический».
Так что первый настоящий шаг к универсальному квантовому вычислителю группа Мартиниса сделала, скорее, в 2018-м, за год до помпезного «квантового превосходства», когда показала, что собранный ими логический кубит из 9 физических кубитов (4 рабочих + 5 контрольных) действительно сохраняет своё состояние дольше, чем его отдельные элементы.
Затем то же получилось для 17-кубитной 3х3 схемы (9 рабочих + 8 контрольных), в 2023-м — уже для 5х5 (25 рабочих + 24 контрольных). Теперь это было сделано уже для матрицы 7х7 (49 рабочих кубитов, 48 контрольных).
«Здесь пока не были показаны однокубитные операции с защищенным кубитом, только стабилизация его состояния, — продолжает Фёдоров. — А чтобы делать логические вентили, нужно намного больше кубитов. Но вообще поверхностный код это, может, даже не самый оптимальный вариант. Возможно, на этом же чипе получится реализовать какой-то другой код, для которого не будет такого роста количества физических кубитов вместе с увеличением логических. В этом смысле поверхностный код очень требователен, хотя взамен он дает дополнительную надёжность».
Ключевое в этом не столько рост работающих кубитов на чипе — а в том, что происходит с числом ошибок в этой системе за такт. На каждом следующем шаге, от трёх к пяти и от пяти к семи, число ошибок на такт вычислений падало в два раза. А это значит, что продолжая в том же духе, исследователи будут получать не только всё более и более «мощный», но и надежный квантовый процессор.
«Смотрите, что самое главное — не обнаружилось никаких фундаментальных проблем при масштабировании системы до такого размера. Насколько нам известно, это самый “чистый” 100-кубитный регистр, который в мире есть, — резюмирует собеседник «ЗН». — Ближайший конкурент сверхпроводникам — это ионные ловушки, но там кубитов сейчас меньше. А точность двухкубитных операций примерно такая же, как на новом чипе Google».
