Почему квантовый прорыв Google «поистине замечателен» - и что будет дальше

Возможность надежно масштабировать физические кубиты - это, конечно, здорово. Теперь наступает самое сложное: реальные схемы.

В этом месяце ученые Google, занимающиеся квантовыми вычислениями, продемонстрировали прорыв в этой области, который укрепляет ощущение, что квантовые вычисления - это реальность, и они смогут занять свое место среди других видов компьютеров в качестве ценного ресурса.

Но многое еще предстоит сделать: Последний квантовый чип Google, получивший название Willow и изготовленный в исследовательском центре в Санта-Барбаре, представляет собой чип памяти. Он не обрабатывает никаких функций, а просто хранит бит для считывания. Чтобы сделать что-либо с ним, потребуется долгая работа по разработке логических схем для использования «кубитов», из которых состоит чип.

Фундаментальный прорыв, как объясняется в журнале Nature (который опубликовал раннюю версию исследования Google), заключается в том, чтобы показать, что ошибки кубитов могут быть уменьшены ниже уровня шума, называемого порогом, и - как только это произойдет - машина сможет надежно представлять информацию, то есть представлять ее с допустимым уровнем ошибок.

Чтобы понять это, рассмотрим основное предложение сегодняшнего квантового оборудования. Чтобы создать любой квантовый «бит» информации, необходимо объединить несколько физических квантовых битов, или кубитов, которые могут быть изготовлены из различных материалов. Google Willow - это продолжение прошлогоднего чипа Google Sycamore, и в обоих случаях используется сверхпроводящая форма конденсатора, охлажденная до температуры значительно ниже нуля, называемая «трансмоном», разработанная в Йельском университете 20 лет назад.

Используя трансмоны или другие формы физических кубитов, исследователи из многих институтов, а не только из Google, уже много лет добиваются успехов в объединении нескольких кубитов для создания одного «логического» кубита. Физический кубит существует лишь миллиардные доли секунды, поэтому его жизни недостаточно для того, чтобы схема «декодера» квантовой машины смогла считать его информацию.

Ключом к созданию чипа Willow от Google, в котором количество физических кубитов увеличено до 105, являются различные физические изменения при изготовлении чипа, которые приводят к уменьшению шума в каждом физическом кубите. В результате «каждый раз, когда кодовое расстояние увеличивается на два, логическая ошибка за цикл уменьшается более чем наполовину», как пишут ведущий автор Раджив Ачарья (Rajeev Acharya) и сотрудники Google.

Это интересно, потому что надежные логические кубиты можно масштабировать; то есть можно добавлять все больше и больше физических кубитов, сохраняя шум ниже порогового уровня, и в результате получать предсказуемо надежные логические кубиты.

Почему это важно: Масштабирование - это фундаментальный прорыв традиционных компьютерных чипов, возможность собирать миллиарды транзисторов на квадрате кремния, чтобы создавать все более мощные схемы. Если сейчас можно надежно масштабировать физические кубиты, то можно увидеть путь к созданию логических схем из кубитов таким же образом, с увеличением мощности и производительности.

В журнале Nature и конкурирующем с ним журнале Science, освещающем сообщение Google об ивах, приводятся ссылки на многочисленных экспертов в этой области. В статье Nature говорится, что это «поистине выдающийся прорыв».

Тем не менее, стоит помнить о том, как много работы еще предстоит сделать. Во-первых, прорыв в определении пороговой ошибки не означает, что работа по снижению ошибок закончена. Как отмечают Ачарья и его коллеги, масштабирование коэффициентов ошибок теперь должно достичь гораздо более высокого уровня точности для логических кубитов на практике.

«Между нынешними показателями логических ошибок и требованиями к практическим квантовым вычислениям остаются порядки величин», - пишут они. Например, в окружающей среде «примерно раз в десять секунд» могут происходить «высокоэнергетические ударные события», которые разрушают надежную, безошибочную работу логических кубитов.

Другими словами, тот факт, что логические кубиты можно масштабировать, хоть и является прорывом, но означает, что теперь исследователям предстоит пройти долгий путь, чтобы действительно осуществить это масштабирование с помощью более крупных чипов (больше трансмонов), а также улучшить способы обнаружения и смягчения логических ошибок. В Google говорят, что у них есть дорожная карта, как этого добиться.

Помимо проблемы масштабирования, существует ограничение текущего типа устройства: Это еще не компьютерный чип.

Логический кубит Willow - это эквивалент конденсатора: он хранит бит. Он ничего не делает с этим битом - пока. Это просто память для хранения информации. Чтобы выполнить операцию, ее нужно расширить до комбинаций из нескольких логических кубитов, связанных между собой и образующих логические операции, такие как сложение и умножение. (Фактическая форма логических операций для квантового процессора может быть более заумной, но идея вам понятна).

Джон Прескилл, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института в Пасадене, сказал корреспонденту журнала Nature Давиде Кастельвекки: «Мы хотим делать защищенные операции с кубитами, а не только память». Давняя цель команды Google - выполнять реальные операции - состоит в том, чтобы иметь чип на миллион кубитов, то есть миллион физических кубитов, чтобы иметь достаточно логических кубитов, которые можно соединить вместе и сформировать настоящие схемы для настоящих вычислений.

Чтобы добраться до реальных схем - коллекций логических кубитов, которые что-то делают, - это очень долгий путь, как для самого чипа, так и для программного обеспечения, которое в конечном итоге сделает работающие квантовые компьютеры. Возможно, сегодняшних C++ и Python будет недостаточно.

Это, безусловно, прорыв, но не забывайте о предстоящей работе.