Гугл учится корректировать ошибки в квантовых вычислениях

Невзирая на все достоинства и непревзойдённую потенциальную мощность, квантовые компьютеры не смогут вытеснить классические вычислительные системы без решения фундаментальной проблемы – возможности самостоятельно (а не усилиями программистов и инженеров) устранять ошибки, деформирующие квантовые состояния их вычислительных единиц – кубитов.

Группа учёных, пришедшая в Гугл осенью прошлого года из университета города Санта-Барбара (Калифорния, США), и специализирующаяся на изучении квантовых вычислительных процессов, представила не имеющую мировых аналогов систему, которая может противостоять возникающим в ней ошибкам, своевременно корректируя их. Это достижение существенно приближает квантовые вычисления к переходу из лабораторного этапа работ в промышленный, а затем и бытовой.

Новая работа данной группы основывается на её предшествующем исследовании, в ходе которого удалось создать систему квантовых сверхпроводящих микросхем, точность и надёжность которых технологически достаточны для воплощения системы разрушения ошибок.
Как рассказал Рэми Барендс, инженер компании, названной его именем, разработка инженеров Гугл – первый случай в ходе развития информационных технологий, когда стало возможно исправлять ошибки, возникающей по причине действия на состояние кубитов разнообразных внешних факторов. Это первое работающее квантовое устройство, обладающее такой способностью.

До сих пор именно сохранение квантового состояния вычислительных единиц-кубитов было главной головной болью всех разработчиков квантовых систем вычисления. Состояние кубита может нарушить колоссальное количество разных факторов, изолировать от присутствия которых систему невозможно в принципе. Единственным выходом из ситуации является квантовая же система борьбы с ошибками, алгоритм подобных систем уже очень хорошо отработан в обычной вычислительной технике.
Однако применить традиционный подход в лоб не получилось. Код коррекции не может, как выяснили исследования, выявить ошибку напрямую, не внося дополнительных изменений в состояния кубитов. Устранить данное препятствие помогла квантовая запутанность. Коррекционная система измеряет квантовое состояние кубита, запутанного с несколькими другими, что обеспечивает неизменность его. Иными словами, вычислительная система состоит из двух видов элементов: вычислительных кубитов, которые производят работу, и измерительных, или диагностических, помогающих контролировать состояние ближайших рабочих кубитов, и при необходимости корректировать его. Девять кубитов, расположенных матрицей три на три, провели несколько десятков тысяч вычислительных операций, корректирующий код, основанный на принципах запутанности, позволил избежать существенных ошибок.

Инженер вычислительных систем Д.Келли поясняет, что таким образом подтвердилась правильность теоретических разработок последних лет, и что работающая на практике система коррекции ошибок в квантовых вычислениях возможна.
Более того, исследование показало, что чем больше кубитов в системе, снабжённой системой коррекции, тем меньше ошибок в ней допускается. Уже разница между системами с одним и девятью элементами превысила 8,5 раз. То есть действительно сложные вычислительные устройства на квантовых принципах не только возможно создать, но они будут даже надёжнее простых.