Специалисты из Google Quantum AI доказали, что увеличение числа физических кубитов в одном логическом способно немного уменьшить вероятность ошибки в сверхпроводниковом компьютере. Таким образом физики впервые продемонстрировали, что масштабирование поверхностных кодов для квантовой коррекции ошибок может быть выгодным. Исследование опубликовано в Nature.
Развитие квантовых вычислений ограничивает возникновение в кубитах ошибок. Они возникают из-за декогеренции, то есть разрушения квантового состояния. При масштабировании квантового компьютера число ошибок существенно возрастает, нарушая работу алгоритмов.
Для борьбы с ошибками физики придумывают различные алгоритмы и коды. По сей день наиболее распространенный подход — это коррекция ошибок с помощью поверхностного кода. В его основе лежит объединение нескольких физических кубитов, расположенных в шахматном порядке, в один логический кубит. При этом часть из них нужна не для вычислений, а для контроля ошибок. Подробнее об этом читайте в материалах «Квантовые технологии. Модуль 4» и «Квантовая коррекция».
Ученые активно развивают этот подход. Мы уже сообщали, как новые коды повышают устойчивость компьютеров к шумам и уменьшают число кубитов для коррекции ошибок. Однако на вопрос о том, растет ли эффективность коррекции с физическим размером логического кубита, ученые отвечали преимущественно теоретически или модельно. Вместе с тем в реальном устройстве этого может быть недостаточно.
Ответить на этот вопрос решили исследователи из лаборатории Google Quantum AI. Для этого они использовали 72-кубитный сверхпроводниковый компьютер, про который мы рассказывали в 2018 году. Ученые сравнивали то, как сопротивляются ошибкам два различных поверхностных кода, которые они назвали «distance-5» и «distance-3». В первом из них логический кубит состоял из 49 физических кубитов, 24 из которых были контролирующими, во втором — из 17 кубитов с 8 контролирующими.
Эксперимент состоял из циклов коррекционного кода, на выходе из которого могла быть обнаружена ошибка. Как и ожидалось, вероятность возникновения ошибки монотонно растет с числом циклов в обоих случаях. Причем, в начале экспериментов коррекция в коде «distance-5» была сильно хуже, и физикам потребовалось два месяца, чтобы ее улучшить. В конечном итоге они выяснили, что код «distance-5» имеет вероятность ошибки на один цикл, равную 2,914±0,016 процента, против 3,028±0,023 процента для кода «distance-3».
Таким образом, ученые доказали, что для их архитектуры увеличение числа физических кубитов в одном логическом дает прирост отказоустойчивости. Правда, успехи достаточно скромные: увеличение размера кубита почти в три раза уменьшает вероятность ошибки всего на три с небольшим процента. Впрочем, специалистов из Google Quantum AI это не смущает. Они верят, что таким путем можно будет построить отказоустойчивый квантовый компьютер, хотя для этого потребуется около миллиона кубитов.
Поверхностный код — не единственный подход к борьбе с ошибками. В другом сценарии квантовое состояние кубита может быть защищено топологически. Мы также рассказывали, какие преимущества дает объединение обоих подходов.