„Google“ kvantinės kompiuterijos proveržis: trilijono metų trukmės klaidą išsprendė per 5 min.

Gruodžio 9 d. „Google“ pranešė, kad su naujos kartos lustu įveikė pagrindinį kvantinės kompiuterijos iššūkį ir per penkias minutes išsprendė skaičiavimo problemą, kuriai išspręsti klasikiniam kompiuteriui prireiktų daugiau laiko nei visai Visatos istorijai.

Kvantinių klaidų taisymas yra esminė problema

Lyginant su klasikiniais kompiuteriais, kvantiniams kompiuteriams reikia labai ramios aplinkos, kad galėtų ramiai atlikti skaičiavimus.

Jei fizikai sugebėtų numalšinti kvantines klaidas, kurias sukelia triukšmas pakankamai dideliame kvantiniame kompiuteryje, jie galėtų atlikti kai kuriuos skaičiavimus, pavyzdžiui, tikslius molekulių modeliavimus, kurie yra sunkiai įveikiami klasikiniams kompiuteriams.

Nors techninės įrangos tobulinimas padeda, esminis elementas yra kvantinių klaidų taisymas, t. y. metodų rinkinys, skirtas apsaugoti informaciją nuo kvantinio triukšmo.

„Reikia, kad mūsų kubitai būtų beveik tobuli, o vien tik inžinerijos priemonėmis to nepasieksime.“ – sako Maiklas Niumanas, „Google“ kvantinių kompiuterių tyrėjas.

„Google“ sukūrė proveržį padariusį naują silicio lustą – „Willow“

Pirmadienį „Google“ žurnale „Nature“ paskelbė naujausius klaidų taisymo tyrimus ir pirmą kartą įrodė, kad didėjant kvantinio kompiuterio dydžiui klaidas galima slopinti eksponentiškai.

„Kurdami vis didesnę ir didesnę sistemą, vis geriau taisote klaidas, tačiau taip pat sukeliate daugiau klaidų.

Kai pereinate šią ribą, kai klaidas galite taisyti greičiau, nei jos sukeliamos, vis didesnės ir didesnės sistemos tampa geresnės.“ – sako Merilendo universiteto kvantinės informacijos teoretikas Danielis Gotesmanas.

„Google“ mokslininkai sukūrė silicio lustą su 105 kubitais – kvantiniais klasikinių bitų atitikmenimis. Tada jie sujungė kelis fizinius kubitus, sudarydami konglomeratą, vadinamą loginiu kubitu.

Loginis kubitas veikė daugiau nei du kartus ilgiau nei bet kuris atskiras kubitas, iš kurio jis buvo sudarytas, ir jo klaidos tikimybė buvo viena iš 1000 per vieną skaičiavimo ciklą.

Palyginimui, tipinio klasikinio kompiuterio klaidų dažnis yra maždaug vienas iš 1 000 000 000 000 000 000, o tai reiškia, kad iš esmės tai yra „nulis“.

Pirmą kartą šie rezultatai buvo paskelbti rugpjūčio mėn. arXiv.org serveryje, o šiandien „Google“ pasidalijo papildoma informacija apie technologiją, kuri leido pasiekti didžiulę pažangą: naują kvantinį lustą, pavadintą „Willow“ (patobulintas jo pirmtakas „Sycamore“).

„Tikrai geri kubitai yra tai, kas leidžia atlikti kvantinį klaidų taisymą.“ – sako „Google“ kvantinės aparatūros direktorius Džulianas Kelly.

„Google“ – ne vienintelė kompanija, padariusi pažangą klaidų taisymo srityje. Rugsėjį bendra „Microsoft“ ir kvantinių skaičiavimų įmonės „Quantinuum“ tyrėjų komanda paskelbė rezultatus, kurie parodė, kad naudojant kubitus, pagamintus iš jonų, įkalintų lazeriuose, galima užkoduoti 12 loginių kubitų, kurių klaidų dažnis yra du iš 1000.

Kuo skiriasi „Willow“ ir „Sycamore“ lustai?

Naujausia pažanga daugiausia pasiekta „Willow“ dėka, kuris patobulina „Sycamore“ trimis pagrindiniais būdais.

Pirma, „Willow“ paprasčiausiai turi daugiau fizinių kubitų – 105, palyginti su 72 „Sycamore“ kubitais. Daugiau fizinių kubitų reiškia didesnius loginius kubitus.

„Tai ne tik kubitų skaičius. Viskas turi veikti tuo pačiu metu.“ – sako Kelly.

Tobulindami gamybos procesus, Kelly ir jo kolegos sugebėjo pagerinti atskirų kubitų kokybę: „Willow“ kubitai yra tvirtesni nei „Sycamore“. Jie penkis kartus ilgiau išlaiko subtilią kvantinę būseną ir turi mažesnį klaidų skaičių.

Norėdami išbandyti klaidų taisymą, „Google“ tyrėjai užkodavo vis didesnius loginius kubitus: iš pradžių jie buvo sudaryti iš 3×3 fizinių kubitų tinklelio, paskui iš 5×5 tinklelio ir galiausiai – iš 7×7 tinklelio. Didėjant loginiams kubitams, klaidų lygis sparčiai mažėjo.

Kaip vertinami „Google“ pateikti rezultatai?

Kai kurie mokslo bendruomenės nariai „Google“ pateiktus rezultatus įvertino teigiamai. Pavyzdžiui, Vaterlo universiteto Ontarijuje kvantinės informacijos tyrėjui Greimui Smithui „Google“ rezultatai padarė įspūdį.

„Sutelkti dėmesį į klaidų taisymą yra teisinga. Tai tikras patobulinimas.“ – sako jis.

Daugelis ankstesnių klaidų taisymo rezultatų rėmėsi postselekcija, arba praktika išmesti klaidų turinčias serijas, siekiant dirbtinai sumažinti klaidų lygį.

Tačiau vis dar yra išlygų. Krysta Svore, „Microsoft“ kvantinių skaičiavimų tyrėja, atkreipia dėmesį, kad pagal kitą metriką klaida buvo ne viena iš 1000, o viena iš 100.

Atsakydamas į kritiką, „Google“ atstovas spaudai teigė, kad „tikslus skaičius… nėra toks svarbus, kaip našumo didėjimas didėjant dydžiui. Tai yra pagrindinis dalykas, dėl kurio tai yra keičiamo dydžio“.

Atrodo, kad visi sutinka, jog pastarojo meto pažanga klaidų taisymo srityje yra esminis pokytis

„Šiuo metu labiausiai jaudina kvantinio klaidų taisymo pažanga. Atėjo laikas, kai pagaliau pamatysime šias klaidų tolerancijos demonstracijas.“ – sako ji.

Kita vertus, apie kvantinius kompiuterius jau prieš kurį laiką kilo didžiulis triukšmas. Ekstremaliausia viso to forma – teiginiai, kad šie prietaisai išgydys vėžį arba išspręs klimato kaitos problemą – ar net kad jie sukūrė kirmgraužą.

Tačiau tyrėjai dažnai apgailestauja, kad dėl šio ažiotažo lūkesčiai bus nepagrįstai dideli ir gali net prasidėti „kvantinė žiema“, kai finansavimas išnyks.