Квантовые компьютеры — это вычислительные системы, которые обрабатывают информацию, используя квантово-механические эффекты. Они используют кубиты (квантовый эквивалент битов), которые могут хранить информацию в смеси состояний, а не в двоичных состояниях (0 или 1).
Хотя квантовые компьютеры могут решать некоторые вычислительные задачи и задачи оптимизации быстрее и эффективнее, чем классические компьютеры, они также более подвержены ошибкам. Это связано с тем, что кубиты могут быть легко нарушены внешними воздействиями из окружающей среды, также известными как шум.
За последние десятилетия инженеры-квантовые физики и инженеры пытались разработать подходы для исправления ошибок, связанных с шумом, также известные как методы квантовой коррекции ошибок (QEC).
Исследователи из Google Quantum AI недавно продемонстрировали реализацию поверхностного кода, хорошо известной техники QEC, используя три различные динамические схемы. Их статья, опубликованная в Nature Physics, открывает новые возможности для практического применения поверхностного кода и может способствовать разработке более надёжных квантовых компьютеров.
«Чтобы квантовые компьютеры работали надёжно, им нужен способ исправления ошибок, которые неизбежно возникают», — сказал Мэтт МакЭвен, соавтор статьи. «Это называется QEC, и это важно для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров. Однако реализация QEC — это серьёзная задача, потому что схемы обнаружения и исправления ошибок сложны и требуют чрезвычайно точных операций».
Поверхностный код, который реализовали МакЭвен и его коллеги, широко изучался и тестировался в прошлом. Этот код работает путём организации кубитов на двумерной сетке и повторной проверки на наличие неисправностей, выполняя тесты, которые могут обнаружить ошибку, не нарушая квантовые данные, хранящиеся в системе.
«Я ранее работал над теоретическим предложением, показывающим, что существует несколько способов реализации поверхностного кода, которые мы назвали динамическими схемами», — сказал МакЭвен. «В частности, эта работа предложила три варианта реализации поверхностного кода, которые имели разные сильные и слабые стороны».
Это недавнее исследование основано на более ранней работе МакЭвена, которая теоретически продемонстрировала возможность трёх различных динамических реализаций поверхностного кода. Их анализ показал, что эти реализации лучше адаптируются к сложным механизмам ошибок, наблюдаемым в экспериментальных условиях, но не доказал окончательно, что они будут работать в реальных условиях.
Исследователи из Google провели большую экспериментальную работу по RCS и OTOC, используя iSWAP-ворота. Одна из новых конструкций позволяет выполнять QEC с помощью iSWAP-ворота. Поэтому они решили объединить свои знания из экспериментов NISQ и экспериментов QEC в одной демонстрации.
Когда они начали проводить эксперименты, исследователи поняли, что они смогут продемонстрировать все три динамические реализации поверхностного кода, первоначально описанные МакЭвеном. Они надеялись доказать, что теоретически продемонстрированные реализации поверхностного кода обычно также работают в экспериментах в реальных условиях.
Три реализации схем, продемонстрированные командой Google Quantum AI, называются гексагональными, iSWAP и ходячими схемами.
«Гексагональная схема перекомпилирует стандартную схему поверхностного кода для работы на шестиугольной сетке, а не на квадратной», — объяснил Алек Эйкбусч, соавтор статьи. «В шестиугольной сетке кубитов каждому кубиту нужно иметь только трёх соседей, что снижает сложность изготовления и работы, позволяя нам добиться более высокой производительности за счёт меньшего количества используемых кулеров».
Гексагональная схема потенциально может способствовать разработке квантовых устройств с кубитами, расположенными в шестиугольной сетке, а не в квадратной. Это, в свою очередь, может упростить их изготовление и управление кубитами в устройствах.
Вторая реализация схемы команды была названа схемой iSWAP. Это адаптация стандартных схем, в которой используется другой запутывающий вентиль, называемый iSWAP, вместо стандартного вентиля CZ.
«iSWAP-ворота — это более простые операции, которые не приводят к ошибкам утечки напрямую, как это делают CZs», — сказал Эйкбусч. «Однако они подвержены новому виду ошибок (ошибкам CPHASE), поэтому не очевидно, могут ли они обеспечить лучшую производительность, чем схема на основе CZ. Мы продемонстрировали, что iSWAP хорошо работает даже на устройстве, которое было разработано и оптимизировано для ворот CZ, поэтому мы надеемся, что будущие устройства смогут сосредоточиться на разработке для iSWAP».
Третья и последняя реализация, описанная в статье исследователей, называется ходячей схемой. Эта конструкция позволяет физическим кубитам, составляющим код, менять роли, «передвигаясь» по квантовому устройству.
«Этот ход оставляет ошибки утечки позади, где их можно устранить, прежде чем мы снова пройдём код обратно, уменьшая влияние событий ошибок утечки», — сказал Эйкбусч. «Это также позволяет по-новому перемещать логические кубиты по устройству, открывая новые возможности для компиляции логических алгоритмов».
Когда они тестировали три динамических поверхностных кода, команда обнаружила, что они достигли замечательных результатов. Гексагональная схема улучшила подавление ошибок в 2,15 раза, ходячая схема — в 1,69 раза, а схема iSWAP — в 1,56 раза.
«Самый большой вывод из нашей работы — подтверждение того, что эти динамические реализации схем работают в реальности», — сказал МакЭвен. «Мы надеемся, что это придаст другим группам уверенность в том, что они попробуют реализовать коды, используя схемы, которые адаптированы для оптимальной работы на их оборудовании, и побудит людей придумывать ещё более интересные схемы реализации, теперь, когда они знают, что стоят на твёрдой почве».
В целом результаты этого исследования подчёркивают потенциал динамических схем QEC для реализации отказоустойчивых квантовых вычислений. Новаторство в работе команды также заключается в новой технике бюджетирования детекторов, которую они использовали в своих экспериментах.
«Это новый и лёгкий способ вычисления влияния различных скоростей ошибок компонентов на общую логическую производительность, который помогает определить, на какие ошибки важно сосредоточиться для улучшения», — объяснил Морван. «Ранее бюджетирование ошибок в эксперименте QEC было довольно сложным занятием, поэтому предоставление этого простого аналитического способа расчёта бюджета ошибок должно сделать такую информацию доступной для гораздо большего количества экспериментальных работ QEC».
МакЭвен, Морван, Эйкбусч и их коллеги планируют дальнейшие эксперименты, направленные на демонстрацию ещё более сложных схем. Одна из них — новая динамическая схема, основанная на так называемой LUCI-структуре, недавно представленной схеме для построения отказоустойчивых схем.
«Это новые схемы, предназначенные для адаптации поверхностного кода вокруг мёртвых компонентов, таких как недружелюбные кубиты или кулеры на устройстве», — добавил Морван. «Эти схемы обещают гораздо лучшую производительность на устройствах с несовершенной производительностью, чем предыдущие, но они ещё более динамичны во времени и пространственно сложны, чем схемы, которые мы продемонстрировали до сих пор».