Google научилась гораздо точнее готовить квантовые состояния, без которых будущий отказоустойчивый компьютер не сможет выполнять полный набор сложных алгоритмов. На процессоре Willow новый метод сократил число ошибок примерно в 40 раз, а верность полученных T-состояний, то есть их близость к нужному квантовому состоянию, достигла 99,99%.
Главная проблема квантовых компьютеров давно упирается не только в количество кубитов. Любой шум постепенно портит их состояние, поэтому разработчикам приходится использовать квантовую коррекцию ошибок и собирать из множества физических кубитов более надежные логические. Даже после этого остается отдельная трудность: некоторым операциям нужны специальные вспомогательные состояния, которые физики называют магическими.
Магическое T-состояние можно представить как одноразовый ресурс для выполнения определенных квантовых операций. Компьютер расходует его во время вычисления, поэтому запас приходится постоянно пополнять. Получить достаточно чистое состояние трудно: ошибки при его подготовке способны испортить дальнейший расчет.
Команда Google проверила на Willow метод выращивания магических состояний. Сначала процессор создает довольно шумное состояние, затем серия измерений ищет признаки ошибок. Неудачные попытки отбрасываются, а прошедшие проверки состояния переходят к следующему этапу.
Фильтр получился жестким. Исследователи сохраняли лишь около 8% попыток, зато среди отобранных состояний ошибка встречалась примерно в 40 раз реже, чем без выращивания. В работе авторы указывают верность 0,9999, или 99,99%.
Цифра 99,99% не означает, что весь Willow теперь работает с такой точностью. Показатель относится только к специально подготовленным T-состояниям, прошедшим отбор. Метод также не делает квантовые вычисления в 40 раз быстрее: речь идет именно о снижении ошибки на этом участке работы процессора.
Во время первых испытаний инженеры столкнулись с неожиданной помехой. Дрейф параметров электроники и колебания температуры искажали измерения настолько, что часть результатов сначала противоречила ожидаемому поведению системы. Команда изменила управление оборудованием и разработала другой способ проверки качества состояний.
Исследователи также перенесли очищенное состояние из одного кода коррекции ошибок в другой. Сначала его готовили в цветовом коде, удобном для выращивания, а затем переводили в поверхностный код, который разработчики рассматривают как один из основных вариантов для крупных отказоустойчивых квантовых машин. Состояние пережило переход без потери достигнутой точности.
До практического универсального квантового компьютера остается большой запас работы. Google предстоит повторить метод на более крупных кодах и доказать, что система сможет стабильно выпускать огромное количество магических состояний во время длинных вычислений. Однако эксперимент закрывает одну из неприятных инженерных проблем: Willow уже умеет не только защищать квантовую информацию от ошибок, но и готовить с высокой точностью расходный ресурс, который понадобится сложным алгоритмам.
