Google dokonał przełomu. Komputery kwantowe właśnie pozbyły się największego problemu

Komputery kwantowe potrafią wykonywać niezwykłe obliczenia, ale mają jedną, bardzo poważną słabość. Ich najmniejsze elementy są tak wrażliwe na zakłócenia, że nawet najdrobniejszy błąd może zniszczyć wynik całego działania. Google właśnie pokazał, że z jednym z najbardziej kosztownych problemów da się walczyć skuteczniej, niż dotychczas sądzono. Na procesorze Willow naukowcy przetestowali metodę, która zmniejszyła liczbę błędów przy przygotowywaniu specjalnych stanów kwantowych aż 40-krotnie. Osiągnęli przy tym wierność wynoszącą około 99,99 proc.

Zwykły komputer zapisuje informacje za pomocą bitów przyjmujących wartości 0 lub 1. Maszyny kwantowe wykorzystują kubity, które mogą znajdować się w superpozycji tych stanów. Dzięki odpowiednio przygotowanym operacjom pozwala to wykonywać obliczenia niedostępne dla klasycznych układów przy porównywalnych zasobach. Kubity niestety bardzo łatwo tracą swoje właściwości. Wystarczą zakłócenia pochodzące z otoczenia, niedoskonałości układów sterowania albo błędy podczas pomiarów. Im bardziej skomplikowane obliczenie, tym większe ryzyko, że coś pójdzie nie tak.

Właśnie dlatego naukowcy stosują kwantową korekcję błędów. Zamiast przechowywać informację w jednym fizycznym kubicie, rozkładają ją na większą grupę. Powstaje tzw. kubit logiczny, którego stan można chronić dzięki dodatkowym pomiarom wykrywającym nieprawidłowości.

Na Spider's Web opisywaliśmy już wcześniej możliwości procesora Willow, który w 2024 r. pokazał, że zwiększanie liczby fizycznych kubitów może rzeczywiście poprawiać skuteczność korekcji błędów. To był ważny krok, ale nie rozwiązywał wszystkich trudności.

Jednym z największych wyzwań pozostaje na ten moment wykonywanie szczególnej klasy operacji kwantowych. Bez nich nie da się zbudować uniwersalnego komputera zdolnego do realizacji dowolnych algorytmów kwantowych.

Do przeprowadzania takich operacji wykorzystuje się tzw. stany magiczne (magic states). Nie mają one oczywiście nic wspólnego z magią. Są to odpowiednio przygotowane stany kwantowe, które umożliwiają wykonanie operacji trudnych do bezpośredniego przeprowadzenia w systemie chronionym przez korekcję błędów. Największy kłopot tak naprawdę polega na ich przygotowywaniu, ponieważ stany muszą być niezwykle dokładne, a standardowa metoda ich oczyszczania, nazywana destylacją, wymaga dużej liczby dodatkowych kubitów i operacji.

Według szacunków przywoływanych przez Google w niektórych projektach nawet 95 proc. zasobów przyszłego komputera kwantowego mogłoby być wykorzystywane właśnie do wytwarzania takich stanów. Co więcej, każdy z nich można zużyć tylko raz. To oznacza, że ogromna część maszyny służyłaby nie bezpośrednio do wykonywania właściwego programu, lecz do przygotowywania zasobów niezbędnych do jego uruchomienia.

Rozwiązanie nazwano magic state cultivation, co można przetłumaczyć jako hodowanie lub udoskonalanie stanów magicznych. Zamiast destylować wiele niedoskonałych stanów, naukowcy przygotowują jeden i stopniowo poprawiają jego jakość wewnątrz chronionego kubitu logicznego.

Najpierw informacja zostaje rozłożona na grupę fizycznych kubitów. Następnie dodatkowe elementy układu wykonują serię pomiarów, które mają wykryć błędy bez niszczenia przechowywanego stanu. Jeżeli kontrola wykryje nieprawidłowość, to dana próba zostaje po prostu odrzucona. Jeśli wszystkie testy zakończą się pomyślnie, to uzyskany stan może zostać wykorzystany w dalszych operacjach.

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science zespół Google Quantum AI kierowany przez Emmę Rosenfeld wykazał, że metoda działa na rzeczywistym sprzęcie. Eksperyment przeprowadzono na nadprzewodzącym procesorze Willow. W porównaniu ze standardowym przygotowywaniem stanu zaobserwowano około 40-krotne zmniejszenie błędów. Uzyskane stany osiągały wierność na poziomie około 99,99 proc., czyli były niezwykle bliskie zakładanemu stanowi idealnemu.

Wynik oczywiście robi ogromne wrażenie, ale nie oznacza, że Google nauczył się usuwać 99,99 proc. wszystkich błędów komputera kwantowego. Podana wartość dotyczy jakości określonego rodzaju przygotowanego stanu, a nie niezawodności całej maszyny.

Co więcej, podczas najbardziej rygorystycznej serii pomiarów przez wszystkie kontrole przeszło zaledwie około 8 proc. prób. Pozostałe były odrzucane, a procedurę trzeba było rozpoczynać od nowa. To szalenie istotne ograniczenie, ponieważ przyszłe komputery będą potrzebowały ogromnej liczby takich stanów. Samo uzyskanie wysokiej dokładności nie wystarczy, jeżeli ich przygotowywanie okaże się zbyt wolne lub kosztowne.

Naukowcy rozwiązali też dodatkowy problem związany z mierzeniem tak niewielkich błędów. Opracowali technikę kickback tomography, która pozwala oceniać jakość stanu przy znacznie mniejszej liczbie pomiarów niż tradycyjne metody. Udało się również przenieść przygotowany stan pomiędzy dwoma rodzajami kodów korekcji błędów. To ważne, ponieważ przyszły komputer musi nie tylko wytwarzać odpowiednio dokładne stany, ale także przechowywać je i wykorzystywać podczas właściwych obliczeń.

Wyniki są oczywiście bardzo istotne, ponieważ potwierdzają eksperymentalnie pomysł, który wcześniej rozwijano przede wszystkim na poziomie teorii. Wcześniej Google prezentował również eksperyment Quantum Echoes, pokazujący możliwości procesora Willow w wykonywaniu szczególnych obliczeń. Nowe badanie dotyczy przygotowania niezawodnych zasobów potrzebnych do uruchamiania znacznie bardziej złożonych algorytmów.

Przeczytaj także:

Przed naukowcami pozostaje jednak teraz najtrudniejsze zadanie, czyli przeniesienie metody na znacznie większe układy. Muszą sprawdzić, czy podobna dokładność będzie możliwa przy jednoczesnym przygotowywaniu wielu stanów i jak wpłynie to na rzeczywiste zapotrzebowanie na kubity.

Google nie zbudował jeszcze więc komputera kwantowego, który dzięki nowej metodzie rozwiązuje praktyczne problemy szybciej od klasycznych maszyn. Udowodnił jednak, że jedno z proponowanych rozwiązań trudnego problemu działa poza symulacją. A to ważny warunek, żeby duże komputery kwantowe kiedykolwiek stały się użyteczne.

*Źródło grafiki wprowadzającej: Google / davidf, Getty Images Signature, Canva Pro