Цветное квантовое будущее: инновации Google в квантовой ошибкоустойчивости

Майнинг и стейкинг

Квантовые вычисления — одна из самых перспективных сфер современных технологий, которая способна революционизировать науку и индустрию. В этом направлении Google занимает лидирующие позиции, разрабатывая инновационные методы коррекции ошибок, способные значительно повысить устойчивость квантовых систем к шуму и внешним воздействиям. Недавние достижения команды Google Quantum AI связаны с успешной реализацией так называемых «цветных кодов» (color codes) на платформе сверхпроводящих кубитов, что может кардинально изменить подход к построению квантовых компьютеров нового поколения. Основной проблемой в квантовых вычислениях является высокая чувствительность квантовых битов — кубитов — к различным ошибкам, вызванным внешним шумом и внутренними дефектами процесса считывания и обработки информации. В ответ на это различные методы квантовой коррекции ошибок позволяют объединять множество физических кубитов в логический кубит, устойчивый к ошибкам.

Традиционным и широко исследуемым решением на сегодня считается поверхность кода (surface code), который успешно реализован на платформе Google, включая недавно анонсированный эксперимент с превышением порога производительности, необходимого для масштабирования. Несмотря на это, вопрос оптимизации и повышения эффективности квантовой ошибки остаётся открытым. Инновация, предложенная Google, заключена в применении цветных кодов, которые используют иную геометрическую структуру — треугольники с шестигранной плиткой на поверхности. В отличие от поверхности кода, где логический кубит кодируется на площади с квадратной структурой, цветной код формируется на меньшей площади, что обеспечивает снижение количества необходимых физических кубитов при сохранении критических характеристик — таких как кодовое расстояние, отвечающее за устойчивость к ошибкам. Это важнейший параметр, который показывает количество физических ошибок, приводящих к логической ошибке.

Конечно, внедрение цветных кодов потребовало решения новых технических вызовов. Более сложная структура исправления ошибок и алгоритмы декодирования создают сложности в достижении порога коррекции ошибок, который является критическим уровнем, необходимым для успешного функционирования системы. Однако эксперименты с чипом Willow продемонстрировали, что с использованием современных средств декодирования можно достичь производительности ниже этого порога, что свидетельствует о практической реализуемости данного метода. Сравнительный анализ результатов показал, что цветной код с кодовым расстоянием 5 снижает логическую ошибку в 1.56 раза по сравнению с расстоянием 3.

Хотя это снижение менее значительно, чем при использовании поверхности кода, специалисты Google уверены, что с ростом системы и улучшением аппаратного обеспечения преимущества цветных кодов проявятся в полной мере. Ключевое преимущество цветного кода заключается в ускорении выполнения логических операций. Многие базовые операции, такие как логическая дверь Хэдмара (Hadamard), могут выполняться намного быстрее, в отличие от поверхности кода, где эти операции требуют множественных циклов коррекции ошибок. В конкретном случае OpenAI отмечает возможность исполнения логической двери Хэдмара за 20 наносекунд, что более чем в тысячу раз быстрее по сравнению с аналогичной операцией на поверхности кода. Ускорение логических операций напрямую способствует ускорению квантовых алгоритмов, а также уменьшает требования к количеству физических кубитов, поскольку для воспроизведения логических операций требуется меньшее количество циклов коррекции.

Это создаёт предпосылки для более компактных и высокопроизводительных квантовых машин. Еще одно значимое достижение связано с генерацией так называемых «магических состояний» (magic states), необходимых для реализации произвольных поворотов кубитов, без которых квантовые алгоритмы не обладают преимуществом перед классическими методами. Протокол «культивации», разработанный для цветного кода, позволяет эффективнее создавать эти состояния, что существенно снижает стоимость подобных операций и повышает практическую реализуемость сложных квантовых алгоритмов. Не менее важным является продвижение в аспекте реализации двухкубитных логических операций. В эксперименте Google удалось успешно объединить два логических кубита, что позволило проводить операции по их переплетению и передаче информации между ними с высокой точностью, достигая уровня 86–91% по фиделити.

Гибкость цветного кода выражается также в возможности использования трёх базисов (X, Y и Z) для слияния логических кубитов, что превосходит ограничение поверхности кода, где доступны только два базиса. Эти открытия открывают перспективы значительно продвинуться к созданию масштабируемых и практичных квантовых компьютеров с повышенной эффективностью и скоростью работы. Несмотря на то что поверхность кода остается основным инструментом для текущих квантовых разработок Google, цветной код позволит оптимизировать устройства, снизить спрос на физические ресурсы и ускорить вычисления, что критично для развития квантовых технологий. Таким образом, цветные коды представляют собой важный и перспективный шаг на пути к реализации полноценных квантовых вычислительных систем. Благодаря снижению количества физических кубитов на логический кубит и ускорению логических операций компании удается приблизить момент, когда квантовые компьютеры станут не просто экспериментальными установками, а полноценными рабочими инструментами для решения задач, недоступных классическим технологиям.

В совокупности эти достижения говорят о том, что будущее квантовых вычислений будет не просто квантовым — оно будет цветным, многообещающим и инновационным благодаря усилиям таких лидеров индустрии, как Google.