Stfw.Ru
ИИ-генерация Grok 3/3DNews
В новой работе исследователи компании Amazon продемонстрировали сочетание отказоустойчивого оборудования и контура для исправления ошибок. По крайней мере, кубиты Amazon не требуют новой физики, как в случае новой устойчивой к ошибкам квантовой архитектуры Microsoft на майорановских фермионах. Проще говоря, Amazon использует проверенные временем решения в оригинальном исполнении, а у такого подхода есть понятные перспективы.
Квантовая вычислительная платформа Amazon для повышения стабильности квантовой информации — квантовых состояний кубитов — сочетает в себе два разных типа аппаратных кубитов. Идея заключается в том, что один тип кубитов устойчив к одному из типов ошибок, а второй можно использовать для реализации кода исправления остальных ошибок, который выявляет возникающие проблемы в вычислительной (алгоритмической) цепи. Демонстрация Amazon не могла похвастаться масштабом, однако на базовом уровне показала потенциальную правильность подхода.
В обычном компьютере возникает только один тип ошибок — это переключение бита, когда под воздействием обстоятельств 0 может стать 1 и наоборот. Как и в большинстве случаев, связанных с квантовыми вычислениями, с кубитами всё значительно сложнее. Поскольку они содержат не двоичные значения, а вероятности, то в случае ошибочного переключения кубита возвращение его истинного состояния будет представлять определённую сложность.
Но переключение битов — не единственная проблема, которая может возникнуть. Кубиты также могут страдать от так называемых ошибок перестановки фаз. В классических компьютерах им нет аналогов, но они также будут препятствовать нормальной работе квантовых компьютеров.
Ещё в 2021 году сотрудники Amazon показали, что могут быть созданы кубиты, которые чрезвычайно устойчивы к одному типу ошибок — к переключению бита. В новой работе эта концепция подтверждается и, по сути, становится базовой. Для этого используются так называемые кошачьи кубиты (Cat qubit). Название кубитам дано в честь кошки Шрёдингера, которая находится в состоянии суперпозиции.
По факту это групповое квантовое состояние, размазанное по нескольким элементарным частицам, в частности, по фотонам. Ошибочное переключение одного фотона в группе не влияет на квантовое состояние группы. Такой кубит условно не подвержен ошибкам переключения бита и о них как бы можно забыть, а значит архитектура вычислителя априори будет проще. Исправлять нужно будет уже не два, а только один тип ошибок, связанный с переключением фазы. Правда, чем больше фотонов в группе, тем выше вероятность ошибочного переключения фазы и при масштабировании платформы с этим тоже придётся что-то делать.
Обнаружение и исправление ошибок фазового сдвига с помощью кода повторения. Nature
Именно из-за этих фазовых переворотов был введен второй набор кубитов, называемых трансмонами. Трансмоны — это широко используемый тип кубита, основанный на петле из сверхпроводящего провода, соединенной с микроволновым резонатором, и используемый такими компаниями, как IBM и Google. Сверхпроводящие трансмоны были использованы для связи кошачьих кубитов, что позволило команде создать логический кубит с исправлением ошибок, используя простой код исправления ошибок, называемый кодом повторения.
Обнаружившие ошибки трансмоны выбросили красные флаги. Nature
На представленной выше условной схеме каждый из кошачьих кубитов связан с соседним трансмоном. Это позволяет трансмонам отслеживать происходящее в кошачьих кубитах с помощью так называемых слабых измерений. Такие измерения не разрушают квантовое состояние, как при полном измерении, но позволяют обнаруживать изменения в соседних кошачьих кубитах и извлекать информацию, необходимую для исправления ошибок, если такие возникают.
Таким образом, сочетание этих двух методов означает, что почти все возникающие ошибки являются ошибками сдвига фаз, которые обнаруживаются и исправляются, ведь ошибок переключения бита в системе не должно возникать по определению, хотя на самом деле это не так. И всё же, в случае необходимости исправлять два типа ошибок одновременно, что было распространено до сих пор, для реализации каждого логического кубита требовалось очень много физических кубитов. В случае схемы Amazon предполагается, что исправлять придётся всего один тип ошибок, и на каждый логический кубит пойдёт ощутимо меньше физических кубитов.
В проведённом исследовании Amazon показала, что при сравнении цепочки из трёх кошачьих кубитов и двух трансмонов с цепочкой из пяти кошачьих кубитов и четырёх трансмонов частота ошибок уменьшилась при усложнении архитектуры. Для типичных квантовых систем обычно всё происходит наоборот — чем больше кубитов, тем выше частота появления ошибок, по крайней мере на больших масштабах. Тем самым Amazon заявляет о преимуществах своего подхода, который позволит наращивать число физических и логических кубитов и сдерживать вероятность нарастания ошибок вычислений.
На самом деле всё намного сложнее. Сами трансмоны подвержены обоим типам ошибок и сбой одного из них обрушит всё вычисление. Также кошачьи кубиты не могут похвастаться полным отсутствием ошибок переключения бита, и в случае появления такой ошибки вычисления также не будут иметь смысла. Однако предложенная Amazon идея имеет потенциал и право на дальнейшую разработку.
