Кубиты, квантовые аналоги обычных битов, крайне хрупки и подвержены ошибкам, что делает создание надёжных квантовых компьютеров сложнейшей задачей. Один из способов борьбы с этим - традиционная дистилляция магических состояний, которая отфильтровывает дефекты, но требует огромных ресурсов. Альтернатива - культивация магических состояний: очистка шумного состояния непосредственно внутри защищённого кубита. Однако до сих пор этот метод не удавалось успешно проверить на реальном оборудовании.

Впервые в истории квантовых вычислений исследователи из Google Quantum AI продемонстрировали культивацию магических состояний на сверхпроводящем процессоре Willow, и это радикально снизило количество ошибок. Работа опубликована в журнале Science.

В эксперименте учёные сначала закодировали шумное магическое состояние (специально подготовленное квантовое состояние, необходимое для сложных вычислений) в нескольких физических кубитах, распределив квантовую информацию по небольшой решётке для защиты от ошибок. Затем с помощью вспомогательных кубитов они сканировали информацию на наличие ошибок, не разрушая сами данные. Если проверки обнаруживали дефекты, попытка отбрасывалась и процесс начинался заново. Если же попытка проходила все тесты, очищенное состояние сохранялось для дальнейшей обработки.

Результаты оказались впечатляющими: культивация снижает ошибку в 40 раз, пишут авторы. Точность очищенных состояний составила не менее примерно 99,99 процента - показатель того, насколько подготовленное квантовое состояние соответствует идеальному. Для проверки столь малых ошибок учёные разработали новый метод под названием kickback tomography, который требует значительно меньшего числа измерений по сравнению с традиционными подходами. Фильтрация была строгой: только около 8 процентов первоначальных попыток прошли все проверки.

Кроме того, исследователи перенесли очищенные состояния в более крупную защитную структуру, совместимую с поверхностным кодом - системой для защиты квантовой информации от ошибок. Это показывает, что очищенные состояния можно передавать в большие коды для хранения и использования. Наши результаты по пересадке демонстрируют принципиальную возможность выхода магического состояния в выгодный код, отмечают авторы.

Работа решает одну из ключевых проблем квантовых вычислений - необходимость огромного количества дополнительного оборудования для создания специальных состояний, требуемых для универсальных расчётов. Культивация позволяет уточнять шумные состояния прямо внутри защищённого кубита, потенциально снижая ресурсные затраты. Следующий шаг - масштабирование технологии для более крупных квантовых компьютеров.

Источник: Phys.org