Kvantiniai kompiuteriai ne tik skaičiuoja, bet ir klaidas daro nepalyginamai sparčiau už klasikinius. Tačiau klasikiniai klaidų aptikimo ir ištaisymo metodai jiems netinka.
Kvantiniai kompiuteriai ne tik skaičiuoja, bet ir klaidas daro nepalyginamai sparčiau už klasikinius. Tačiau klasikiniai klaidų aptikimo ir ištaisymo metodai jiems netinka.
„Google Sycamore“ kvantinis kompiuteris © Rocco Ceselin/„Google“
„Google“ pademonstravo, kad jos „Sycamore“ kvantinis kompiuteris gali aptikti ir ištaisyti skaičiavimo klaidas, – esminis žingsnis link didelio masto kvantinių skaičiavimų, – bet dabartinė sistema sukuria daugiau klaidų, nei ištaiso.
Klaidų taisymas yra standartinė įprastų, klasikinių kompiuterių, saugančių duomenis kaip nulių ir vienetų sekas, savybė. Perduodant duomenis su papildomais „kontroliniais bitais“, įspėjančiais, jei 0 tapo 1, ar atvirkščiai, klaidą galima aptikti ir ištaisyti.
Kvantiniuose skaičiavimuose ši problema kur kas sudėtingesnė, nes kiekvienas kvantinis bitas – kubitas– egzistuoja 0 ir 1 superpozicijoje, ir bet koks bandymas juos išmatuoti sunaikina duomenis. Vienas iš sugalvotų teorinių sprendimų – suburti daug fizinių kubitų į vieną „loginį kubitą“. Nors tokie loginiai kubitai jau buvo sukurti, lig šiol klaidų taisymui jie nebuvo panaudoti.
Julian Kelly iš „Google AI Quantum“ su kolegomis pademonstravo šią koncepciją su „Google Sycamore“ kvantiniu kompiuteriu, kuriame loginiai kubitai sudaryti iš 5 – 21 fizinių kubitų, ir išsiaiškino, kad loginių kubitų klaidų lygis, pridedant vis daugiau fizinių kubitų, mažėja eksponentiškai. Komanda sugebėjo atlikti atsargius tų papildomų kubitų matavimus, kurie nekolapsavo jų būsenos, bet vertinant kolektyviškai, vis viena suteikė pakankamai informacijos, kad būtų galima suprasti, ar pasitaikė klaidų.
Kelly sako, kad tai reiškia, jog ateityje bus įmanoma sukurti praktiškus, patikimus kvantinius kompiuterius. „Tai iš esmės pirmasis mūsų žingsnelis šiame kelyje, link išties didelių, atsparių klaidoms kompiuterių, – sako jis. – Tai – savotiškas žvilgsnis į prietaisus, kuriuos norime gaminti ateityje.“
Komandai pavyko šį sprendimą pademonstruoti konceptualiai, tačiau didelis inžinerinis iššūkis tebeliekia. Fizinių kubitų pridėjimas į loginius kubitus kelia savų problemų, nes kiekvienas fizinis kubitas irgi gali daryti klaidų. Kuo daugiau kubitų loginiame kubite, tuo didesnė klaidos tikimybė.
Šiame procese yra balanso taškas, vadinamasis slenkstis, kai klaidų taisymo galimybė ištaiso daugiau problemų, nei sukelia didėjantis kubitų skaičius. Šio slenksčio Google klaidų taisymas dar nepasiekė. Norint tai atlikti, reikia ne tokių triukšmingų fizinių kubitų, kuriuose kyla mažiau klaidų ir jų pačių kiekvienam loginiam kubitui reikia daugiau. Komanda įsitikinusi, kad ištobulintuose kvantiniuose kompiuteriuose kiekvienam loginiam bitui reikės 1000 kubitų – „Sycamore“ kol kas tėra 54 fiziniai kubitai.
Peter Knight iš ICL sako, kad Google tyrimas yra ėjimas link kažko esmingo ateities kvantiniams kompiuteriams. „Jei negalėsime to atlikti, didesnių mašinų neturėsime.“ pastebi jis. „Sveikinu tai, kas jie atliko, nes be to, be šio pasiekimo, tebeliktų neaišku, ar kelias link atsparumo klaidoms išvis pasiekiamas tikslas. Jie šias abejones pašalino.”
Bet jis sako, kad iš tiesų pasiekti šį slenkstį ir sukurti efektyvų klaidų taisymą bus labai rimtas inžinerinis iššūkis, nes tam reikia sukurti procesorių, kuriame kubitų daug daugiau, nei sukurta lig šiol.
Matthew Sparkes / www.newscientist.com
Žurnalo nuoroda: „Nature“, DOI: 10.1038/s41586-021-03588-y
