D-Wave сообщила о прорыве в коррекции ошибок квантовых вычислений

Этим летом компания D-Wave вошла в новую для себя область универсальных квантовых компьютеров. До этого она была крупнейшим в мире специалистом по системам квантового отжига, решающим задачи оптимизации. Универсальные квантовые вычислители способны решать более широкий спектр задач и поэтому потенциально более востребованы. Более того, D-Wave сразу же подняла планку, представив новую архитектуру квантовых вентилей с впечатляющими возможностями обнаружения ошибок — одного из главных узких мест квантовых платформ.

В опубликованной на днях в Nature работе исследователи D-Wave представили созданный ими новый элемент квантового компьютера, который способен самостоятельно выявлять значительную часть ошибок, возникающих при вычислениях. Главная идея заключается в том, чтобы сделать ошибки не только более редкими, но и заметными для системы сразу после их появления. Это может значительно облегчить создание надёжных квантовых компьютеров.

В обычных квантовых процессорах кубиты чрезвычайно чувствительны к помехам, поэтому их состояние легко искажается. Причём система не всегда знает, где именно произошёл сбой. В разработке D-Wave используется особый тип так называемых двухрельсовых кубитов (dual-rail). Квантовое состояние каждого кубита распределяется между парой связанных резонаторов. Такая архитектура позволяет выявлять ошибки непосредственно на уровне кубита без использования дополнительных схем и алгоритмов коррекции благодаря её физическим принципам. Иными словами, система получает не просто неправильный результат, но и информацию о том, какой кубит дал сбой.

До сих пор серьёзной проблемой было соединение таких кубитов между собой: при выполнении совместных операций их способность обнаруживать собственные ошибки могла ухудшаться. В новой работе исследователи показали двухкубитный квантовый вентиль, который позволяет кубитам взаимодействовать и создавать квантовую запутанность, сохраняя возможность обнаружения ошибок при выполнении операций.

В эксперименте двухрельсовый вентиль продемонстрировал точность (fidelity) около 99,9 % при выполнении двухкубитных операций длительностью 500 нс. Предложенная архитектура позволила эффективно обнаруживать ошибки на уровне кубитов. По утверждению исследователей, благодаря этому уровень логических ошибок может уменьшаться примерно в десять раз при каждом переходе к следующему уровню кода коррекции ошибок. В конечном итоге это поможет создавать логические кубиты на основе меньшего числа физических кубитов, открывая путь к масштабированию квантовых компьютеров.

Сегодня коррекция ошибок считается одним из главных препятствий на пути к созданию практических квантовых компьютеров. Обычно для защиты одного полезного логического кубита от сбоев приходится использовать множество физических кубитов. Если же процессор заранее знает, где произошла ошибка, исправлять её значительно проще и для этого потенциально требуется меньше дополнительного оборудования. Пока D-Wave продемонстрировала принцип работы лишь на небольшой системе из двух взаимодействующих кубитов, поэтому до полноценного отказоустойчивого квантового компьютера ещё далеко.