Przy użyciu odpowiednich technik korekcji błędów komputery kwantowe mogą wykonywać obliczenia z coraz większą dokładnością w miarę ich skalowania. Zademonstrowali to naukowcy z Google Quantum AI w swoim nowym procesorze o nazwie Willow.
Komputery kwantowe mają potencjał przyspieszenia obliczeń i przewyższenia możliwości komputerów klasycznych w niektórych zadaniach. Jednak komputery kwantowe są podatne na błędy, co sprawia, że obecne prototypy nie są w stanie działać wystarczająco długo, aby osiągnąć praktyczne wyniki.
Kwantowa supremacja
Komputery kwantowe mogą znacznie przewyższać konwencjonalne maszyny. Mają potencjał, by zmienić sposób projektowania nowych materiałów, leków, zarządzania logistyką, budowania sztucznej inteligencji czy łamania szyfrów. Celem jest osiągnięcie tego, co jest określane jako „supremacja kwantowa”, czyli ogromna przewaga obliczeniowa nad tradycyjnymi komputerami.
W ciągu ostatniej dekady wysiłki na rzecz budowy kwantowych komputerów zostały mocno zintensyfikowane, co zaowocowało kilkoma sukcesami. Inżynierowie z firmy Google pod koniec 2019 roku ogłosili osiągnięcie supremacji kwantowej. Zaprezentowany wówczas komputer o nazwie Sycamore, jak przekonywali uczeni z Google’a, w nieco ponad trzy minuty rozwiązał problem, który zająłby nawet najlepszym konwencjonalnym maszynom tysiące lat (więcej na ten temat w tekście: Google potwierdza supremację kwantową. 10 tys. lat obliczeń w 200 sekund). Rok później swój sprzęt zaprezentowali badacze z kilku chińskich instytucji naukowych, również ogłaszając supremację swojej maszyny nad klasycznymi komputerami. Ich komputer o nazwie Jiuzhang, osiągnął w ciągu kilku minut to, co na najlepszych istniejących superkomputerach zajęłoby miliony lat, twierdzili chińscy badacze (więcej na ten temat w tekście: Kwantowa supremacja Chin. Urządzenie Jiuzhang znacznie szybsze od superkomputerów).
Tradycyjne komputery przeprowadzają obliczenia na bitach – seriach zer i jedynek. Ich kwantowe odpowiedniki korzystają z kubitów, czyli kwantowych bitów, a te mogą przybierać obie te wartości jednocześnie. To pozwala im szybciej rozwiązywać problemy niż klasyczne komputery. Jednak kubity są niezwykle wrażliwe na zakłócenia i w obecnych komputerach kwantowych nie są w stanie utrzymać delikatnych stanów dwukierunkowych wystarczająco długo, co wyklucza je z większości zastosowań komercyjnych lub naukowych. Stan kwantowy nadprzewodzącego kubitu utrzymuje się przez ułamek milisekundy, zanim szum środowiskowy go zaburzy, powodując na przykład odwrócenie 0 i 1. A im więcej kubitów jest używanych, tym więcej błędów się pojawia.
Korekcja błędów
W publikacji, która ukazała się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-024-08449-y), naukowcy z Google Quantum AI opisali nowy procesor kwantowy Willow. Posiada on ogromną moc obliczeniową oraz system korekcji błędów.
Zwykłe komputery mogą korygować błędy, po prostu tworząc kopie bitu. Jednak ta taktyka nie zadziała w przypadku kubitów, bo nie da się skopiować stanu jednego kubitu na inny. A nawet gdyby się dało, to sam pomiar wprowadza zakłócenia niepewnego dwukierunkowego stanu kubitu zazwyczaj sprowadzając go do 0 lub 1.
By wyeliminować błędy w obliczeniach kwantowych, uczeni opracowali system korekcji, w którym jeden kubit informacji jest rozpraszany na wiele kubitów fizycznych, co umożliwia identyfikację i kompensację błędów bez wpływu na obliczenia.
Technologia opiera się na logicznych kubitach. Jest to kubit zakodowany przy użyciu zbioru fizycznych kubitów. Wszystkie fizyczne kubity w pojedynczym logicznym kubicie współdzielą te same dane, co oznacza, że jeśli którykolwiek z nich zawiedzie, obliczenia są kontynuowane, ponieważ informacje nadal można znaleźć w logicznym kubicie.
Schemat korekcji błędów wymaga siatki kubitów logicznych i kubitów fizycznych. Jeśli fizyczne kubity są zbyt niestabilne, błędy po prostu się mnożą. Ale jeśli fizyczne kubity i ich interakcje nie są zakłócane, rozszerzenie tablicy kubitów sprawia, że stan zakodowanego logicznego kubitu jest bardziej wytrzymały. A w pewnym momencie przekracza próg, przy którym trwa dłużej niż stan fizycznych kubitów.
Willow
Naukowcy z Google zbudowali wystarczająco niezawodne kubity do wykładniczej redukcji błędów, wprowadzając kilka zmian. Ulepszyli protokoły kalibracji, ulepszyli techniki uczenia maszynowego w celu identyfikacji błędów i ulepszyli metody wytwarzania urządzeń. Co najważniejsze, poprawili czasy w którym kubity utrzymują swój stan.
Willow to układ scalony o 107 kubitach. Badacze ulepszyli swój układ tak, że wraz z rozszerzaniem się logicznego kubitu na fizyczne kubity współczynnik błędów spada. Poprawili też czas życia kubitów i obecnie osiągają one około 100 mikrosekund.
Naukowcy z Google Quantum AI twierdzą, że Willow może wykonać w ciągu około 5 minut zadanie, które zajęłoby największemu superkomputerowi świata około 10^25 lat, czyli 10 septylionów lat (10 000 000 000 000 000 000 000 000 lat). Badacze wykazali też, że każdy kolejny wzrost rozmiaru logicznego kubita zmniejsza współczynnik błędów o połowę.
Źródło: Science, Nature, Live Science, fot. Alberto/ CC BY-SA 4.0/ Wikimedia Commons
