Первый в мире коммерческий отказоустойчивый квантовый компьютер с «логическими кубитами» может быть запущен до конца этого года.
Логические кубиты — физические квантовые биты, или кубиты, соединённые посредством квантовой запутанности, — уменьшают количество ошибок в квантовых компьютерах за счёт хранения одних и тех же данных в разных местах. Это позволяет разнообразить точки сбоя при выполнении вычислений.
Новая машина, имеющая 256 физических и 10 логических кубитов, будет запущена в конце 2024 года, говорится в заявлении представителей QuEra, стартапа, который её создаёт.
Это объявление последовало за новым исследованием, опубликованным 6 декабря 2023 года в журнале Nature, в котором исследователи из QuEra и ряда других учреждений продемонстрировали функционирующий квантовый компьютер, содержащий 48 логических кубитов — наибольшее количество логических кубитов, протестированных на сегодняшний день.
«Это первая машина с квантовой коррекцией ошибок», — рассказал Live Science соавтор исследования Гарри Чжоу (Harry Zhou), физик из QuEra и Гарвардского университета.
По словам Чжоу, хотя этот компьютер не обладает достаточной мощностью, чтобы быть полезным сам по себе, он предоставляет платформу, на которой программисты могут начать тестирование кода для будущих квантовых компьютеров.
Почему квантовые вычисления нуждаются в исправлении ошибок
В то время как обычные компьютеры хранят информацию в битах со значением 0 или 1, квантовые компьютеры используют кубиты, которые представляют собой суперпозицию между 0 и 1, благодаря законам квантовой механики.
Кубиты также могут быть сшиты вместе с помощью квантовой запутанности, чтобы существовать в нескольких состояниях одновременно. Это позволяет им выполнять множество вычислений намного быстрее, чем классические компьютеры — при условии, что вы можете построить квантовый компьютер с достаточным их количеством. Но кубиты могут быть легко повреждены, что делает их заведомо подверженными ошибкам. Примерно 1 из 1000 сбоев по сравнению с 1 из 1 миллиарда миллиардов бит в обычных компьютерах.
Квантовые компьютеры могли бы превзойти лучшие суперкомпьютеры, если бы они включали в себя миллионы кубитов, но самый большой квантовый компьютер, созданный на данный момент, имеет только около 1000 кубитов, а высокая частота отказов кубитов ограничивает потенциальное масштабирование. Исправление ошибок могло бы противодействовать склонности кубитов к сбоям, и построение логических кубитов — один из способов это сделать.
Логические кубиты: уменьшение квантового шума
По словам Чжоу, новая система исправления ошибок основана на избыточности данных, при которой один и тот же фрагмент данных хранится в нескольких местах. Логические кубиты выполняют одни и те же вычисления для нескольких физических кубитов, что значительно снижает частоту ошибок в случае сбоя одного или нескольких физических кубитов, поскольку данные доступны в другом месте, поэтому вычисления могут быть продолжены.
Чтобы создать логический кубит, исследователи применили компьютерный код, исправляющий ошибки, к обычным кубитам. Затем они установили логические элементы, или схемы, между кубитами, чтобы их запутать. После квантовый компьютер вычисляет «синдром» — показатель вероятности того, произошла ошибка или нет. Используя эту информацию, квантовый компьютер исправляет ошибки и переходит к следующему шагу.
Новые кубиты представляют собой значительный прогресс по сравнению с предыдущими разработками. В 2023 году лаборатория искусственного интеллекта Google Quantum продемонстрировала частоту ошибок 2,9% при использовании трёх логических кубитов; частота ошибок Quera составляет 0,5% при использовании 48 логических кубитов. Мировым же лидером в этом направлении является Оксфордский университет, который добился частоты ошибок менее 0,01% — но только между двухкубитными элементами.
В прошлом году IBM также продемонстрировала технологию исправления ошибок в своём 127-кубитном чипе Heron, который в пять раз снизила частоту ошибок по сравнению с другими чипами. Однако её первая коммерческая отказоустойчивая машина появится не раньше 2029 года.
В ближайшие годы QuEra планирует запустить несколько квантовых компьютеров, начиная с 30-логических кубитных и 3000 физических кубитных машин, которые появятся в 2025 году. Запуск его монстра, машины с более чем 10 тыс. физическими кубитами и 100 логическими кубитами, запланирован на 2026 год.
«При 100 логических кубитах машина [2026 года] сможет выполнять правильные вычисления, которые будут превосходить возможности современных суперкомпьютеров», — сказал Чжоу.
