Технологическая пощёчина Вашингтону: Пекин первым взломал порог, который Google считал своей крепостью

Квантовые компьютеры годами выглядели как технология из будущего: на бумаге они способны решать задачи, которые классическим машинам не осилить за разумное время, но в реальности постоянно спотыкаются об одну и ту же проблему, ошибки. Теперь китайские исследователи заявили, что сделали шаг, который многие считают поворотным для всей отрасли: им удалось перейти через важный порог, после которого исправление ошибок начинает реально повышать надежность системы, а не разрушать ее.

Команда под руководством Пан Цзяньвэя из Университета науки и технологий Китая сообщила, что их сверхпроводниковый квантовый компьютер Zuchongzhi 3.2 достиг так называемого порога отказоустойчивости. Это тот самый момент, которого ждали много лет: добавление процедур коррекции ошибок делает вычисления устойчивее по мере роста системы. До этого квантовая коррекция ошибок часто превращалась в парадокс, чем больше проверок и дополнительных кубитов, тем больше новых источников сбоев появлялось, и итоговая надежность могла только ухудшаться.

Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Важная деталь в том, что китайская группа сделала ставку на управление микроволнами, а не на более “железный” подход, который в своей демонстрации использовала Google. Речь о борьбе с одним из самых неприятных типов сбоев, так называемыми leakage-ошибками, когда кубит “утекает” из рабочего набора состояний и начинает тихо разносить проблемы по всей схеме. По словам авторов, их метод подавления утечек полностью на микроволновых импульсах может оказаться более удобным для масштабирования, потому что меньше привязывает разработчиков к усложнению схемы управления и проводки на сверхнизких температурах.

Чтобы понять, почему это важно, стоит вспомнить базовую проблему квантовых вычислений. Кубиты чрезвычайно чувствительны к теплу, шуму и любым микровозмущениям, поэтому ошибки в них возникают постоянно, даже во время “обычной” работы. Коррекция квантовых ошибок решает это не так, как в классических компьютерах: она распределяет информацию по многим кубитам и многократно измеряет специальные контрольные величины, пытаясь поймать сбои, не разрушая сами вычисления. Но каждый новый кубит и каждое дополнительное измерение тоже приносит свои ошибки, поэтому долгое время системы оказывались в ситуации, когда “лечение” было хуже “болезни”.

Именно поэтому все упирается в порог коррекции ошибок. Если базовые кубиты слишком шумные, любые попытки исправлять сбои только разгоняют общий уровень ошибок. Если же удается снизить исходные ошибки ниже определенного уровня, баланс меняется: коррекция начинает выигрывать, а увеличение кода защиты приводит к падению итоговой ошибки. В последние годы и Китай, и США активно вкладывались в один из самых изученных подходов, поверхностный код (surface code). В 2022 году группа Пан показала минимальный элемент коррекции, логический кубит distance-3, а затем Google продвинулась до distance-5. Однако в обоих случаях шум на “физических” кубитах оставался слишком высоким, чтобы уверенно заявить о преодолении порога.

Ситуация изменилась после того, как Google в феврале сообщила о прогрессе на процессоре Willow и продемонстрировала логический кубит distance-7 ниже порога, подавляя утечки с помощью импульсов постоянного тока. Китайская работа утверждает, что теперь сопоставимый масштаб достигнут и на их платформе, но другим способом. Используя 107-кубитный процессор Zuchongzhi 3.2, исследователи реализовали полностью микроволновую схему подавления утечек и совместили ее с поверхностным кодом, получив distance-7 логический кубит. В эксперименте они увидели ключевой признак “правильного” режима: при увеличении размера кода общая ошибка снижалась, а не росла.

Авторы приводят коэффициент подавления ошибок 1,4, то есть каждый шаг увеличения масштаба коррекции давал заметный выигрыш по надежности. Внешние эксперты тоже оценивают результат высоко, но с оговорками. Физик Джозеф Эмерсон из Университета Ватерлоо, который не участвовал в работе, назвал эксперимент впечатляющим и подчеркнул, что он адресует одну из самых трудных проблем квантовых вычислений, расползание ошибок из-за дрейфа состояний кубитов. При этом он же отмечает, что до практических приложений все еще далеко: нынешние демонстрации остаются на масштабах, несопоставимых с тем, что потребуется для реальных задач.

Тем не менее смысл новости в другом: теперь конкуренция за отказоустойчивые квантовые компьютеры перестает быть “гонкой обещаний” и все больше становится инженерной борьбой за масштабирование. Китайская команда считает, что микроволновый подход может помочь с двумя главными головными болями будущих квантовых систем, сложностью разводки и аппаратными накладными расходами. Если идею удастся развить, дорога к машинам на сотни тысяч и даже миллионы кубитов будет выглядеть чуть менее фантастической, чем еще вчера.