Квантові комп'ютери обіцяють експоненційне зростання обчислювальної потужності внаслідок одночасної обробки безлічі варіантів. Однак наявні сьогодні пристрої ще далекі від цього ідеалу. Зокрема, їх базові одиниці інформації — кубіти — схильні до частих помилок, що поки що суттєво обмежує можливості квантових комп'ютерів. Для боротьби з помилками таким системам необхідні так звані "магічні стани" (magic states). Дослідники з Google Research вважають, що їхній квантовий чип може допомогти у вирішенні цього завдання. У новій статті, опублікованій у журналі Science, вчені описують метод отримання магічних станів, який потребує менших витрат; цей підхід, натхненний садівництвом, отримав назву "культивація" (cultivation).
У традиційних комп'ютерах будь-які обчислення будуються з урахуванням простих логічних вентилів, як-от «І» (AND), «АБО» (OR) і «НЕ» (NOT). "У квантових комп'ютерів є свої аналоги цих операцій - так звані вентилі Кліффорда (Clifford gates)", - пояснює Емма Розенфельд, дослідник з підрозділу Google Quantum AI й провідний автор роботи. Однак операції, що виконуються вентилями Кліффорда, можуть бути відтворені й звичайним комп'ютером. "Але існує один особливий тип вентилів, який і розкриває справжню міць квантового комп'ютера", – говорить Розенфельд. "Фізики називають їх некліффордовими вентилями (non-Clifford gates); найчастіше це так звані T-вентилі." Для створення такого додаткового вентиля якраз і потрібен магічний стан.
Кубіт у "магічному стані" є специфічною комбінацією станів 0 і 1 (здатність перебувати в суміші станів — унікальна особливість квантових комп'ютерів). При використанні в обчисленнях такий стан витрачається для реалізації відповідного вентиля, тому будь-яка вада у вихідному стані неминуче призводить до помилки в роботі самого вентиля. "Його необхідно створювати з граничною точністю", - зазначає Розенфельд.
Стандартний метод отримання магічних станів називається "дистиляцією" (distillation): із безлічі недосконалих квантових станів формується менша кількість точніших. "До 95% ресурсів квантового комп'ютера може піти виключно на створення цих високоточних магічних станів", - пояснює Розенфельд. Щоб подолати це "вузьке місце", колеги дослідниці з Google Research у 2024 році запропонували альтернативний підхід — "культивацію", яка дозволяє працювати з одним-єдиним станом.
Використовуючи квантовий чип Google під назвою Willow, команда Розенфельд закодувала "чорновий" (неточний) магічний стан у кількох кубітах, а потім провела його вимір. Вимір квантового стану, як правило, призводить до його колапсу, змушуючи систему прийняти одне з двох можливих значень. Тому замість того, щоб ставити запитання "Ти 0 чи 1?" - що неминуче призвело б до колапсу квантового стану в один із цих двох варіантів, - дослідники сформулювали питання інакше: "Чи ти є потрібним 'магічним станом': так чи ні?"
Стани, які успішно пройшли цю перевірку, потім розподілялися по більшій кількості кубітів для забезпечення більш надійного захисту. Звідси й виникла назва "вирощування" (або "культивація"): стан спочатку створюється у "компактному" вигляді, проходить перевірку, а згодом "розростається". Без такої процедури приблизно в 4 випадках із 1000 виникав помилковий стан. З її застосуванням кількість помилок скоротилася приблизно у 40 разів. В експерименті було залучено 54 фізичні кубіти зі 105, наявних у системі Willow.
"Експеримент Google доводить, що метод 'вирощування' дійсно працює на практиці", - зазначає Кеннет Браун, директор Квантового центру Університету Дюка (Duke Quantum Center), який не брав участі у дослідженні. Втім, він звертає увагу на те, що цей підхід передбачає етап контролю якості, в ході якого відсіваються "неякісні" стани — відкидається 92% усіх спроб.
До практичного застосування таких систем ще далеко. Наприклад, для злому сучасного шифрування RSA-2048 — стандарту, що використовується для захисту вебсайтів, банківських операцій та електронних посвідчень особистості, — знадобилися б "магічні стани", які б припускали помилку лише в одному випадку з 10 мільярдів. Для моделювання молекул (завдання, яке, за словами Розенфельд, більш досяжне в найближчому майбутньому) необхідні стани з частотою помилок від одного випадку на мільйон до одного на 100 мільйонів. На цей час показник дослідницької групи становить приблизно одну помилку на 10000 спроб. Проте, за словами Розенфельд, ця робота є важливим кроком у вірному напрямку.
"Ми сповнені рішучості як ніколи - прагнемо до того, щоб у найближчому майбутньому квантові комп'ютери стали придатними для вирішення реальних наукових завдань", - говорить Розенфельд.
