Komputer kwantowy Google wykonał ważny krok w kierunku bardziej niezawodnych obliczeń. Naukowcy przetestowali na procesorze Willow nową metodę przygotowywania tak zwanych magicznych stanów kwantowych, osiągając wierność wynoszącą co najmniej 99,99 procent. Liczbę błędów podczas przygotowywania tych stanów udało się zmniejszyć około 40-krotnie. Osiągnięcie może pomóc w budowie komputerów kwantowych zdolnych do wykonywania skomplikowanych operacji bez konieczności wykorzystywania ogromnych zasobów do korekcji błędów. Technologia ma jednak istotne ograniczenia.
Komputer kwantowy Google zrobił kolejny krok w stronę niezawodnych obliczeń
Komputery kwantowe od lat są przedstawiane jako technologia, która może zmienić sposób rozwiązywania najbardziej skomplikowanych problemów naukowych.
Ich możliwości wynikają z praw mechaniki kwantowej, pozwalających przetwarzać informacje w sposób niedostępny dla tradycyjnych komputerów.
Problem polega na tym, że stany kwantowe są niezwykle delikatne.
Nawet niewielkie zakłócenia mogą prowadzić do błędów, które podczas długich obliczeń szybko się kumulują.
Dlatego jedną z największych przeszkód w rozwoju komputerów kwantowych nie jest samo zwiększanie liczby kubitów, ale zapewnienie niezawodności wykonywanych operacji.
Naukowcy Google zaprezentowali teraz metodę, która może pomóc rozwiązać część tego problemu.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie naukowym „Science”.
Badacze wykorzystali procesor kwantowy Willow do eksperymentalnego sprawdzenia techniki nazywanej kultywacją stanów magicznych.
Dlaczego komputery kwantowe tak łatwo popełniają błędy?
W tradycyjnym komputerze podstawową jednostką informacji jest bit.
Może przyjmować jedną z dwóch wartości: zero albo jeden.
Komputery kwantowe wykorzystują natomiast kubity.
Dzięki zjawisku superpozycji kubit może znajdować się w stanie będącym kombinacją zera i jedynki.
Dopiero podczas pomiaru otrzymujemy określony wynik.
Ta właściwość, w połączeniu ze splątaniem kwantowym, umożliwia wykonywanie szczególnych rodzajów obliczeń.
Jednocześnie sprawia jednak, że układy kwantowe są bardzo wrażliwe na zakłócenia.
Zmiany temperatury, oddziaływania elektromagnetyczne oraz niedoskonałości sprzętu mogą wpływać na stan kubitów.
W rezultacie obliczenia mogą zawierać błędy.
Wraz ze wzrostem liczby operacji problem staje się coraz poważniejszy.
Korekcja błędów pochłania ogromne zasoby
Aby chronić informacje kwantowe, naukowcy rozwijają metody kwantowej korekcji błędów.
Jednym z ich podstawowych założeń jest wykorzystanie wielu fizycznych kubitów do zabezpieczenia informacji przechowywanej w jednym kubicie logicznym.
Taki logiczny kubit może być bardziej odporny na określone rodzaje zakłóceń.
Problem polega na tym, że ochrona informacji wymaga dodatkowych zasobów sprzętowych.
Komputer kwantowy może więc potrzebować bardzo wielu fizycznych kubitów, aby uzyskać stosunkowo niewielką liczbę niezawodnych kubitów logicznych.
To znacząco komplikuje budowę dużych urządzeń.
Co więcej, nie wszystkie operacje kwantowe są równie łatwe do zabezpieczenia.
Niektóre można realizować stosunkowo skutecznie w ramach dostępnych metod korekcji błędów.
Inne wymagają dodatkowych zasobów.
Właśnie tutaj pojawiają się magiczne stany kwantowe.
Czym są magiczne stany kwantowe?
Określenie „magiczne stany” może brzmieć jak termin zaczerpnięty z fantastyki naukowej.
W rzeczywistości jest to precyzyjne pojęcie z teorii obliczeń kwantowych.
Magiczne stany są specjalnie przygotowanymi stanami kwantowymi, które można wykorzystać do realizowania operacji trudnych do wykonania w sposób odporny na błędy.
Są szczególnie ważne dla tak zwanych operacji nie-Cliffordowskich.
To właśnie takie operacje, w połączeniu z odpowiednimi operacjami Clifforda, umożliwiają uniwersalne obliczenia kwantowe.
W praktyce magiczny stan stanowi dodatkowy zasób, który można wprowadzić do obwodu kwantowego, aby wykonać określone zadanie.
Nie jest to żadna nadprzyrodzona właściwość.
Nazwa odnosi się do matematycznych cech tych stanów, które umożliwiają rozszerzenie możliwości obliczeniowych układu.
Jeden magiczny stan można wykorzystać tylko raz
Magiczne stany mają jednak istotne ograniczenie.
Podczas wykorzystania w odpowiedniej operacji kwantowej zostają zużyte.
Oznacza to, że komputer wykonujący wiele skomplikowanych operacji potrzebuje stałego dopływu nowych magicznych stanów.
Samo ich przygotowywanie jest jednak trudne.
W trakcie tego procesu mogą powstawać błędy.
Jeśli stan nie jest wystarczająco dokładny, jego wykorzystanie może pogorszyć niezawodność całego obliczenia.
Dlatego naukowcy od dawna poszukują sposobów produkowania magicznych stanów o bardzo wysokiej wierności.
Dotychczas stosowano destylację stanów magicznych
Jedną z najważniejszych metod jest tak zwana destylacja stanów magicznych.
Polega ona na przygotowaniu wielu niedoskonałych stanów kwantowych.
Następnie wykorzystuje się odpowiedni protokół do przekształcenia ich w mniejszą liczbę stanów o lepszej jakości.
Można porównać to do procesu oczyszczania.
Z większej ilości materiału o niższej jakości otrzymujemy mniejszą ilość bardziej wartościowego produktu.
Metoda ta jest dobrze znana w teorii obliczeń kwantowych.
Problemem pozostaje jednak zapotrzebowanie na dodatkowe kubity, operacje i czas przetwarzania.
W przypadku dużych komputerów kwantowych koszty takiego podejścia mogą być bardzo wysokie.
Dlatego Google rozpoczęło prace nad alternatywnym rozwiązaniem.
Google opracowało metodę „kultywacji” magicznych stanów
W 2024 roku naukowcy Google zaczęli rozwijać koncepcję określaną jako magic state cultivation, czyli kultywacja stanów magicznych.
Pomysł różni się od klasycznej destylacji.
Zamiast przygotowywać wiele niedoskonałych stanów i przetwarzać je w mniejszą liczbę lepszych, badacze koncentrują się na stopniowym udoskonalaniu pojedynczego stanu.
Proces można porównać do pielęgnowania jednej rośliny.
Zamiast hodować setki roślin i wybierać spośród nich najlepsze, staramy się zapewnić jednej odpowiednie warunki do rozwoju.
Na kolejnych etapach sprawdzamy, czy wszystko przebiega prawidłowo.
Jeśli pojawi się problem, nie kontynuujemy nieudanej próby.
Odrzucamy ją i rozpoczynamy proces od nowa.
Takie podejście może zmniejszyć zapotrzebowanie na niektóre zasoby potrzebne do przygotowania bardzo dokładnych stanów magicznych.
Komputer kwantowy Google przetestował metodę na procesorze Willow
Nową technikę sprawdzono eksperymentalnie na procesorze kwantowym Willow.
To układ opracowany przez Google do prowadzenia badań nad nadprzewodzącymi kubitami i korekcją błędów kwantowych.
Zespół wykorzystał go do przygotowywania magicznych stanów z zastosowaniem nowej procedury.
Celem było sprawdzenie, czy kultywacja pozwala rzeczywiście ograniczyć błędy w warunkach laboratoryjnych.
Wyniki okazały się bardzo obiecujące.
Naukowcy zredukowali liczbę błędów podczas przygotowywania stanów około 40 razy.
Udało się również uzyskać wierność przygotowanych magicznych stanów wynoszącą co najmniej 99,99 procent.
To jeden z najważniejszych rezultatów całego eksperymentu.
Co oznacza dokładność 99,99 procent?
Wierność stanu kwantowego określa, jak bardzo przygotowany stan odpowiada pożądanemu stanowi idealnemu.
Im wyższa wierność, tym mniejsza różnica pomiędzy rzeczywistym stanem a tym, który naukowcy chcieli uzyskać.
W przypadku nowego eksperymentu osiągnięto poziom co najmniej 99,99 procent.
To oznacza bardzo wysoką jakość przygotowania wybranych magicznych stanów.
Nie należy jednak interpretować tego wyniku jako dokładności całego komputera kwantowego.
Nie oznacza on również, że procesor Willow wykonuje wszystkie obliczenia z prawdopodobieństwem poprawnego wyniku wynoszącym 99,99 procent.
Badanie dotyczyło konkretnego procesu przygotowywania specjalnych stanów wykorzystywanych w obliczeniach odpornych na błędy.
Sukces wymagał odrzucenia większości prób
Nowa metoda ma istotny koszt.
Aby uzyskać wyjątkowo dokładne magiczne stany, naukowcy musieli odrzucać wiele prób przygotowania.
W najbardziej rygorystycznym wariancie eksperymentu zachowywano jedynie około 8 procent wyników.
Oznacza to, że mniej więcej 92 procent prób nie przechodziło wszystkich etapów selekcji.
Na pierwszy rzut oka może to wydawać się nieefektywne.
Jednak celem kultywacji nie jest zachowanie każdej próby.
Chodzi o uzyskanie bardzo wysokiej jakości stanu przy odpowiednio dobranym wykorzystaniu zasobów sprzętowych.
Dlatego skuteczność tej metody należy oceniać nie tylko na podstawie odsetka zaakceptowanych wyników.
Ważne jest również całkowite zapotrzebowanie na kubity, liczbę wykonywanych operacji oraz jakość uzyskanych stanów.
Eksperyment ujawnił problem z samym pomiarem
Podczas badań pojawiła się jeszcze jedna trudność.
Naukowcy musieli udowodnić, że przygotowane stany rzeczywiście mają tak wysoką wierność.
A dokładne mierzenie bardzo małych błędów w układzie kwantowym jest wyjątkowo trudne.
Google opisało sytuację, w której pierwsze wyniki uzyskane przez fizyczkę Emmę Rosenfeld wydawały się niezgodne z oczekiwaniami wynikającymi z praw fizyki.
Początkowo nie było jasne, dlaczego pomiary zachowują się w taki sposób.
Badacze przez kolejne miesiące analizowali działanie aparatury i procedur pomiarowych.
Ostatecznie problem udało się powiązać z niedoskonałościami samej metody oceny stanu.
Nawet niewielkie zmiany temperatury zaburzały wyniki
Naukowcy odkryli, że standardowa metoda pomiarowa była wrażliwa na bardzo małe zmiany warunków laboratoryjnych.
Znaczenie miały między innymi wahania temperatury i inne źródła szumu sprzętowego.
Zakłócenia wpływały na wyniki w sposób, który utrudniał wiarygodne określenie jakości magicznych stanów.
Problem nie polegał więc wyłącznie na samym przygotowaniu stanów.
Badacze musieli również znaleźć sposób na dokładne sprawdzanie, czy uzyskali oczekiwany rezultat.
To doprowadziło do opracowania dodatkowej techniki.
Powstała nowa metoda pomiaru stanów kwantowych
Zespół opracował rozwiązanie nazwane tomografią odrzutową (rejection-based tomography).
Jego celem było dokładniejsze określanie jakości przygotowanych stanów magicznych.
Nowa metoda pozwoliła ograniczyć wpływ zakłóceń, które wcześniej utrudniały ocenę wyników.
Dzięki temu naukowcy mogli bardziej wiarygodnie oszacować wierność uzyskanych stanów.
To ważne osiągnięcie samo w sobie.
W komputerach kwantowych nie wystarczy bowiem przygotować bardzo dokładnego stanu.
Trzeba również posiadać metodę pozwalającą potwierdzić jego jakość.
Im mniejsze błędy, tym trudniejsze staje się ich mierzenie.
Nowe podejście może więc okazać się użyteczne również podczas kolejnych badań nad niezawodnością urządzeń kwantowych.
Magiczne stany udało się przenieść do większego kodu korekcji błędów
Przygotowanie dokładnego magicznego stanu nie kończy całego procesu.
Aby był przydatny w bardziej rozbudowanym komputerze kwantowym, musi dać się wykorzystać w systemie chroniącym informacje przed błędami.
Dlatego naukowcy wykonali kolejny eksperyment.
Pokazali, że przygotowany metodą kultywacji stan magiczny można przenieść do większego kodu korekcji błędów kwantowych.
To istotny etap na drodze do praktycznych zastosowań.
Jednocześnie okazało się, że operacja nie była idealna.
Większy kod wprowadzał dodatkowe błędy.
Oznacza to, że nawet bardzo dokładnie przygotowany stan może stracić część swojej jakości podczas późniejszych operacji.
Badacze będą musieli więc poprawić nie tylko sam proces kultywacji, ale również kolejne etapy przetwarzania informacji.
Dlaczego magiczne stany są potrzebne do uniwersalnych obliczeń kwantowych?
Nie wszystkie operacje kwantowe mają identyczne znaczenie dla możliwości obliczeniowych procesora.
Pewne grupy operacji można realizować przy użyciu struktur, które są stosunkowo łatwe do symulowania na klasycznych komputerach.
Same w sobie nie zapewniają one pełnych możliwości uniwersalnego komputera kwantowego.
Dopiero dodanie odpowiednich operacji spoza tej grupy pozwala wykonywać znacznie szerszy zakres obliczeń.
Magiczne stany są jednym ze sposobów realizowania takich operacji w systemach wykorzystujących korekcję błędów.
Dlatego ich niezawodne przygotowywanie ma duże znaczenie dla rozwoju praktycznych komputerów kwantowych.
Bez odpowiedniego źródła magicznych stanów wykonywanie dużych, złożonych obliczeń mogłoby wymagać nadmiernej liczby dodatkowych kubitów i operacji.
Kultywacja może ograniczyć koszty obliczeń kwantowych
Tradycyjna destylacja stanów magicznych pozostaje ważną metodą wykorzystywaną w projektach komputerów kwantowych.
Nowe badanie nie dowodzi, że stanie się ona zbędna.
Pokazuje jednak, że istnieje alternatywne podejście, które może zapewniać bardzo wysoką jakość stanów przy innym sposobie wykorzystania zasobów.
W praktyce ma to duże znaczenie.
Budowa dużego komputera kwantowego wymaga kontrolowania wielu fizycznych kubitów.
Każda dodatkowa operacja i każdy dodatkowy kubit zwiększają złożoność całego systemu.
Jeżeli magiczne stany da się przygotowywać w sposób bardziej oszczędny sprzętowo, może to ułatwić skalowanie przyszłych urządzeń.
Nie oznacza to jeszcze, że Google zademonstrowało gotowy komputer kwantowy zdolny do wykonywania dowolnych użytecznych obliczeń bez błędów.
Badanie dotyczy jednego z elementów potrzebnych do osiągnięcia takiego celu.
Komputer kwantowy Google nadal wymaga dalszego rozwoju
Wyniki eksperymentu są ważne, ale nie rozwiązują wszystkich problemów technologii kwantowej.
Naukowcy wykazali, że kultywacja stanów magicznych może działać na rzeczywistym procesorze.
Osiągnęli bardzo wysoką wierność przygotowania stanów i znacząco ograniczyli liczbę błędów.
Jednocześnie najbardziej rygorystyczne warianty procesu wymagały odrzucenia większości prób.
Dodatkowe błędy pojawiały się również podczas przenoszenia stanów do większego kodu korekcji.
To oznacza, że kolejnym krokiem będzie poprawianie całego procesu – od przygotowania magicznych stanów, przez kontrolę jakości, aż po ich wykorzystywanie w bardziej rozbudowanych obliczeniach.
Czy przełom Google przyspieszy rozwój komputerów kwantowych?
Nowe badanie może mieć istotne znaczenie dla przyszłych projektów komputerów kwantowych odpornych na błędy.
Pokazuje bowiem, że alternatywna metoda przygotowywania magicznych stanów jest możliwa do realizacji na prawdziwym sprzęcie.
To duża różnica w porównaniu z rozwiązaniami istniejącymi wyłącznie w modelach matematycznych.
Jednocześnie eksperyment dostarczył nowych narzędzi do pomiaru jakości stanów kwantowych.
Nie można jednak na jego podstawie określić, kiedy powstaną duże, uniwersalne komputery kwantowe zdolne do wykonywania szerokiego zakresu praktycznych zadań.
Do tego potrzebne będą kolejne postępy w korekcji błędów, skalowaniu procesorów i wykonywaniu niezawodnych operacji logicznych.
Magiczne stany mogą stać się ważnym elementem komputerów przyszłości
Najważniejszy wynik badania polega na tym, że koncepcja rozwijana przez Google od 2024 roku została eksperymentalnie potwierdzona.
Na procesorze Willow naukowcy przygotowali magiczne stany o wierności wynoszącej co najmniej 99,99 procent.
Liczbę błędów w procesie przygotowania zmniejszono około 40-krotnie.
W najbardziej wymagającym wariancie zachowywano jednak tylko około 8 procent prób.
Opracowano również tomografię odrzutową, która pozwoliła wiarygodniej oceniać jakość przygotowanych stanów.
Dodatkowo badacze pokazali, że można przenosić takie stany do większych kodów korekcji błędów, choć ten etap nadal wymaga udoskonalenia.
Komputer kwantowy Google nie stał się dzięki temu urządzeniem całkowicie odpornym na błędy.
Naukowcy wykonali jednak ważny krok w stronę rozwiązania jednego z problemów utrudniających rozwój uniwersalnych procesorów kwantowych.
W przyszłości ogromne znaczenie może mieć nie tylko liczba kubitów, ale również zdolność do przygotowywania i wykorzystywania specjalnych stanów o bardzo wysokiej jakości.
A właśnie w tej dziedzinie procesor Willow pokazał nowe możliwości.
Badania opublikowano w czasopiśmie Science .