Квантовый процессор Google перестал ошибаться: огромный шаг для человечества!
Улучшенный квантовый процессор теперь реже ошибается и работает быстрее.
Функциональная единица квантового процессора — кубит, представляющий собой что угодно — атом, электрон, кусок сверхпроводящей электроники, — который можно использовать для хранения и управления квантовым состоянием. Чем больше у вас кубитов, тем больше возможностей у машины. Считается, что если в вашем распоряжении есть сотни кубитов, вы сможете выполнять вычисления, которые было бы сложно или невозможно выполнить на традиционном компьютере.
Конечно, все это при условии, что все кубиты ведут себя правильно. Чего, в общем, они не делают. В результате, использование большего количества кубитов для решения проблемы повышает вероятность того, что вы столкнетесь с ошибкой до завершения вычисления. Итак, теперь у нас есть квантовые компьютеры с более чем 400 кубитами, но попытка выполнить любое вычисление, требующее всех 400, потерпит неудачу.
Исправление ошибок
Создание логического кубита с исправлением ошибок обычно считается решением этой проблемы. Этот процесс включает в себя распределение квантового состояния между набором подключенных кубитов. (С точки зрения вычислительной логики, все эти аппаратные кубиты могут быть адресованы как единое целое, отсюда и название «логический кубит».) Исправление ошибок обеспечивается дополнительными кубитами, соседствующими с каждым элементом логического кубита. Их можно измерить, чтобы определить состояние каждого кубита, который является частью логического кубита.
Чем больше аппаратных кубитов вы выделяете на логический кубит, тем более надежным он должен быть. Сейчас есть только две проблемы. Во-первых, у нас нет лишних аппаратных кубитов. Запуск надежной схемы исправления ошибок на процессорах с наибольшим количеством кубитов приведет к тому, что нам придется использовать для вычисления менее 10 кубитов. Вторая проблема заключается в том, что частота ошибок аппаратных кубитов слишком высока, чтобы все это работало. Добавление существующих кубитов к логическому кубиту не делает его более надежным; это повышает вероятность одновременного появления такого количества ошибок, что их невозможно исправить.
Ответом Google на эти проблемы стало создание нового поколения процессора Sycamore, который имел то же количество и расположение аппаратных кубитов, что и процессор предыдущего поколения. Но компания сосредоточилась на снижении частоты ошибок отдельных кубитов, чтобы система могла выполнять более сложные операции без сбоев. Это аппаратное обеспечение, которое Google использовала для тестирования логических кубитов с исправлением ошибок.
В документе описаны тесты двух разных методов. В обоих случаях данные хранились на квадратной сетке кубитов. У каждого из кубитов были соседи, состояние которых измеряли для исправления ошибок. Единственным отличием был размер сетки. В одном методе это было три кубита на три кубита; во втором — пять на пять. Для первого требовалось всего 17 аппаратных кубитов, для второго — 49 кубитов, или почти в три раза больше.
Исследовательская группа провела множество измерений производительности. Но ключевой вопрос был прост: какие логические кубиты имели меньшую частоту ошибок? Если бы ошибки в аппаратных кубитах доминировали, можно было бы ожидать, что утроение количества аппаратных кубитов увеличит частоту ошибок. Но если настройки производительности Google достаточно улучшили аппаратные кубиты, более крупная и надежная компоновка должна снизить частоту ошибок.
Более крупная схема победила, но с небольшим опережением. В целом, у большего логического кубита частота ошибок составила 2,914 процента против 3,028 процента у меньшего. Это не большое преимущество, но это первый случай, когда увеличение количества кубитов в системе привело к уменьшению числа ошибок. И следует подчеркнуть, что частота ошибок слишком высока, чтобы использовать один из этих логических кубитов в сложных вычислениях. По оценкам Google, производительность аппаратных кубитов должна быть улучшена еще на 20 или более процентов, чтобы обеспечить явное преимущество перед большими логическими кубитами.