Przełom w obliczeniach kwantowych Google: Współczynnik błędów zmniejszony 40-krotnie, pokonano kluczowe ograniczenia zasobów

Jeśli ten przełom uda się rozszerzyć, znacznie zmniejszy to skalę sprzętu potrzebnego do budowy odpornych systemów kwantowych, co ma istotne znaczenie dla komercjalizacji obliczeń kwantowych.

Autor: Yang Chen, Wall Street Journal

Zespół Google Quantum AI osiągnął kluczowy postęp w dziedzinie obliczeń kwantowych, co może znacznie obniżyć koszty sprzętu potrzebnego do budowy praktycznych systemów kwantowych.

Powiązane badania zostały opublikowane w czwartek w czasopiśmie „Science”. Google zweryfikowało na swoim procesorze Willow technikę nazwaną „hodowlą stanów magicznych” (magic state cultivation), która zmniejsza współczynnik błędów kwantowych o około 40 razy, osiągając 99,99% wierności logiki T. To najwyższy wynik w tej dziedzinie do tej pory.

Produkcja stanów magicznych była od dawna uważana za kluczowe ograniczenie w skalowaniu obliczeń kwantowych - szacuje się, że do 95% mocy obliczeniowej komputerów kwantowych może być potrzebne do generowania stanów magicznych, a zasoby rzeczywiście wykorzystywane do obliczeń są niezwykle ograniczone.

Jeśli ten przełom uda się rozszerzyć, znacznie zmniejszy to skalę sprzętu potrzebnego do budowy odpornych systemów kwantowych, co ma istotne znaczenie dla ścieżki komercjalizacji obliczeń kwantowych.

Google jednocześnie zaznaczyło, że nadal należy zweryfikować wykonalność tej technologii na większą skalę, a do praktycznych obliczeń kwantowych wciąż jest daleko.

Na moment publikacji, akcje Google wzrosły w czwartek o 0,24%.

Stany magiczne: czarna dziura zasobów w obliczeniach kwantowych

Stany magiczne są kluczowym elementem umożliwiającym realizację „uniwersalnych” obliczeń kwantowych. Aby procesory kwantowe mogły wykonywać złożone obliczenia przekraczające możliwości klasycznych komputerów, muszą polegać na stanach magicznych do generowania wymaganych zestawów operacji kwantowych. Jednak stany magiczne, gdy są używane, nie mogą być ponownie wykorzystane, co czyni je zasobem ograniczonym.

Większym wyzwaniem są koszty produkcji. Niektóre badania szacują, że komputery kwantowe mogą potrzebować przeznaczyć do 95% całkowitej mocy obliczeniowej na produkcję stanów magicznych, pozostawiając niezwykle mało zasobów na rzeczywiste zadania obliczeniowe.

To ograniczenie zostało przewidziane przez badaczy już w 2004 roku, a przez ostatnie dwadzieścia lat środowisko akademickie nieustannie poszukiwało sposobów na obniżenie kosztów produkcji stanów magicznych, jednak postępy były powolne.

Propozycja hodowli stanów magicznych, znaczne zwiększenie efektywności zasobów

W 2024 roku, badacze Google Quantum AI Craig Gidney, Noah Shutty i Cody Jones zaproponowali plan hodowli stanów magicznych na podstawie istniejącej literatury.

Ich kluczowa idea polegała na zaprojektowaniu procesu produkcji stanów magicznych jako zestawu mechanizmów filtrujących: wprowadzając zaszumione stany kwantowe do małego obszaru na chipie, a następnie poprzez szereg wysoko skoordynowanych operacji pomiarowych wykrywając i eliminując nieudane próby, aby „wyhodować” stany kwantowe o wysokiej czystości i niskim współczynniku błędów, a jednocześnie kodując je w większą, użyteczną formę.

Jednak przejście od teorii do realizacji sprzętowej nie było proste. Naukowiec badający Emma Rosenfeld w początkowych testach nieustannie uzyskiwała dane, które „wydawały się naruszać prawa fizyki”.

Po miesiącach dochodzenia zespół odkrył, że źródłem problemu była błędna hipoteza w technologii pomiaru odniesienia - zakłócenia spowodowane dryfem urządzeń elektrycznych w laboratorium i zmianami temperatury zakłócały skuteczność testów odniesienia.

W związku z tym zespół nie tylko dodał dodatkowe kontrole do systemu, aby stłumić wpływ szumów, ale także wynalazł nową technologię testowania odniesienia, aby proces hodowli sam w sobie stał się narzędziem do samokalibracji.

Wierność i błędy ustanawiają nowe rekordy

Na procesorze Willow powyższy plan ostatecznie osiągnął około 40-krotne zmniejszenie współczynnika błędów w porównaniu do niehodowanych stanów kwantowych, a wierność logiki T osiągnęła 99,99%, ustanawiając nowy rekord w tej dziedzinie.

Zespół Google zrealizował również inne ważne demonstracje: zweryfikował, że stany magiczne uzyskane w procesie hodowli mogą być płynnie przenoszone między dwoma różnymi schematami korekcji błędów kwantowych - konkretnie, przenosząc stany kwantowe z kodu kolorów o odległości -3 (color code, nowsza metoda korekcji błędów odpowiednia do operacji hodowlanych) do kodu powierzchniowego o odległości -5 (surface code, bardziej dojrzała metoda korekcji błędów).

Ta operacja „grafting” udowodniła, że oczyszczone stany kwantowe mogą stabilnie przetrwać wewnątrz sprzętu i być płynnie przenoszone, co otworzyło drogę do integracji technologii hodowli stanów magicznych w istniejącą architekturę obliczeń kwantowych Google.

Pomimo osiągniętych postępów, Google wyraźnie zaznaczyło, że technologia hodowli stanów magicznych nadal wymaga weryfikacji na większą skalę, aby mogła być naprawdę zastosowana w rzeczywistych zadaniach obliczeń kwantowych, a wiele wyzwań technologicznych wciąż pozostaje.

Niniejsza treść ma charakter wyłącznie informacyjny i nie stanowi porady finansowej, inwestycyjnej, prawnej ani podatkowej. Wszelkie wydarzenia, nagrody, promocje online lub powiązane informacje, o których tu mowa, nie powinny być traktowane jako rekomendacja, zachęta ani zaproszenie do kupna, sprzedaży, wymiany lub innego rodzaju obrotu aktywami kryptograficznymi. Aktywa kryptograficzne charakteryzują się dużą zmiennością i mogą prowadzić do strat. Dostępność usług, produktów i powiązanych wydarzeń WEEX może się różnić w zależności od regionu. Użytkownik jest odpowiedzialny za upewnienie się, że jego udział jest zgodny z obowiązującymi lokalnymi przepisami i regulacjami.