Квантовая коррекция

Компания Google объявила, что ей удалось создать вычислительное устройство, состоящее из 72 сверхпроводниковых кубитов — квантовых битов, которые способны находиться в суперпозиции множества состояний, а значит проводить большое количество вычислений параллельно и одновременно. Это новый рекорд: в 2016 году квантовая лаборатория Google под руководством Джона Мартиниса создала квантовый компьютер, состоящий лишь из девяти сверхпроводниковых кубитов (кубитов на основе джозефсоновского перехода). Профессор Технологического института Карлсруэ Алексей Устинов, руководитель лабораторий Российского квантового центра и НИТУ «МИСиС», ранее участвовал в создании первого в России сверхпроводникового кубита. Редакция N + 1 попросила его рассказать, чем именно интересен 72-кубитный квантовый компьютер и каких целей с его помощью можно достичь.

Лаборатория Мартиниса поступила хитро: они объявили, что будут делать матрицу из кубитов размером 7 на 7, и после этого 7 на 7 стали делать все подряд. Например, IBM и Intel уже сделали такие устройства и они сейчас испытываются. А Google тем временем «выкатил» устройство на 72 кубита.

Цель квантовой гонки на данном этапе — продемонстрировать «квантовое превосходство», то есть взять много кубитов, сделать несколько шагов вычислений, создать сложное состояние, которое невозможно приготовить или просчитать на классическом компьютере. На данный момент с помощью суперкомпьютера в немецком научном центре в Юлихе удалось просчитать устройство с 46 кубитами. Причем надо иметь в виду, что каждый следующий кубит увеличивает сложность расчетов в два раза.

Однако до того, как превосходство будет достигнуто, нужно придумать и проверить на практике методы коррекции ошибок в квантовых вычислителях. Квантовые состояния кубитов очень уязвимы и легко разрушаются под действием разного рода помех, и чем больше кубитов, тем сложнее систему удержать в правильном состоянии. Лучший на сегодня алгоритм коррекции ошибок разработал физик Алексей Китаев, это так называемый «торовый код» (toric code).

Он состоит в том, что кубиты располагаются в шахматном порядке на плоскости, при этом «белые клетки» — это кубиты, которые используются для выполнения логических операций, а «черные» — для контроля ошибок. То есть «черный» кубит, находящийся между двумя «белыми», проверяет четность состояний. Если ошибка возникла с одной стороны, то четность этого кубита меняется и становится ясно, что произошла ошибка. Только в том случае, если ошибка возникла одновременно с двух сторон (что очень маловероятно), кубит не заметит ошибки.

Именно этот принцип использовала группа Мартиниса в своем устройстве на девять сверхпроводниковых кубитов — там было четыре «рабочих» кубита и еще пять служили для обнаружения ошибок. Если сделать шахматную доску больше, то можно на лету корректировать ошибки не только первого уровня, но и второго уровня, то есть когда мы одну ошибку исправили, а дальше проверяем на четность большего размера площадь этой шахматной доски.

Алгоритм Китаева позволяет использовать такую вложенность отдельных областей друг в друга, делать проверки ошибок и, соответственно, их корректировать.

Согласно теоретическим предположениям, количество кубитов, которое будет способно устранять все возможные ошибки, будет конечным, то есть квантовый компьютер, способный работать корректно, можно создать. Осталось доказать эти предположения на практике.

В случае устройства, которое построили Мартинис и его коллеги, пока не идет речи о доказательстве квантового превосходства. Они надеются показать, что этот собранный из множества физических кубитов логический кубит сможет сохранять нужное квантовое состояние дольше, чем каждый из этих отдельно взятых кубитов. Если они смогут это сделать, это будет шаг вперед, это покажет, что есть надежда в принципе построить корректирующий себя квантовый компьютер.

Конечно, сейчас эти многокубитные устройства можно использовать для вычислений, получать результаты, невозможные на классическом компьютере, но польза от этого мала из-за высокого процента ошибок.

В любом случае, для того чтобы такая система могла успешно работать, ее нужно увеличить в тысячи раз, то есть собирать устройства из десятков тысяч физических кубитов, чтобы получить десяток логических. Технически это не очень сложно, потому что сверхпроводящие кубиты на контактах Джозефсона можно делать миллионами, они делаются по тем же принципам, что и полупроводниковые процессоры.

Но нужно построить и проверить архитектуру, которая позволяет корректировать ошибки кубитов и действительно использовать их для вычислений. Этим и занимаются сейчас лаборатория Мартиниса и их конкуренты.