Квантовые вычисления с коррекцией ошибок QEC

Принципы действия квантовых компьютеров изучены сегодня достаточно хорошо, и сами эти вычислительные системы уже становятся доступными заказчикам – правда, пока еще пригодными для решения ограниченного круга задач. Одна из причин – сравнительно малое число одновременно действующих в составе вычислителя кубитов (квантовых битов), элементарных узлов такой системы. Другая причина – все еще недостаточная продолжительность активной работы каждого отдельного кубита.

Проблема в том, что кубит как существенно квантовая система принципиально неустойчив – подвержен эффекту декогеренции, спонтанного перехода из неустойчивого промежуточного состояния (в котором он, собственно, и способен производить вычисления) в одно из граничных, устойчивых. Наиболее проработанная на сегодня технология создания квантовых компьютеров предполагает использование в качестве кубитов миниатюрных сверхпроводящих контуров, интегрированных в полупроводниковые микрочипы: для таких кубитов время существования в промежуточном состоянии, от запуска системы до сваливания в декогеренцию, не превышает долей миллисекунды.

Уже по этой причине сколько-нибудь длительные квантовые вычисления провести не удается. Вдобавок, в ходе работы каждый кубит неизбежно подвергается воздействию теплового шума, что также приводит к декогеренции системы. Группа ученых из Google и Йельского университета в статье, опубликованной в Nature, предложила способ заметно отдалить момент наступления декогеренции в системе за счет применения квантовой коррекции ошибок (quantum error correction, QEC). При этом сами алгоритмы QEC были оптимизированы при помощи машинного обучения.

Сложность реализации такого подхода заключается в том, что любой дополнительный элемент квантовой системы (не исключая самой QEC) добавляет в нее тепловой шум, который, в свою очередь, неизбежно способствует еще более скорому наступлению декогеренции. С применением «умной» коррекции ошибок исследователям все-таки удалось добиться положительного эффекта от усложнения системы, и в результате продолжительность эффективной работы кубита (в состоянии квантовой спутанности с другими кубитами, когда только и возможно проведение квантовых вычислений) выросла до 1,8 мс – практически вдвое превзойдя прежнее достижение. Ученые уверены, что апробированная ими методика QEC позволит еще больше отдалить момент сваливания систем в декогеренцию, что откроет простор для взрывного роста эффективности реально доступных квантовых вычислений.