Автор: Бахмат М.
Квантовые компьютеры обещают прорывную вычислительную мощность уже к концу этого десятилетия. Но настоящей сенсацией станет момент, когда инженерам удастся преодолеть последствия шума и квантовой декогеренции, которые «ломают» квантовые вычисления еще до получения полезного результата. «Хрупкость» кубитов все еще не удалось преодолеть, но некоторые шаги в эту сторону уже сделаны. Например, сегодня индустрия опирается на квантовую коррекцию ошибок — технологию, которая собирает один логический кубит из множества физических и активно исправляет сбои по ходу выполнения алгоритмов.
- Почему кубиты хрупкие? Что такое шум и декогеренция
- Как держать кубиты в строю: три способа
- Кто достиг успеха в квантовой коррекции ошибок
- Самое важное о квантовой коррекции ошибок
Логический кубит — это защищенная единица квантовой информации, закодированная на многих физических кубитах с помощью методов коррекции ошибок. Он является ключевым, поскольку отдельные физические кубиты слишком зашумлены для сложных вычислений. Стабильные логические кубиты являются настоящими строительными блоками отказоустойчивого квантового компьютера.
Почему кубиты хрупкие? Что такое шум и декогеренция
Если вы немного знакомы с основами квантовых вычислений, то уже слышали о том, что кубиты по своей природе хрупкие. Это значит, что их квантовые состояния легко изменить внешним воздействием. Хрупкость кубитов напрямую связана с двумя ключевыми понятиями: шумом и декогеренцией.
- Шум в квантовых вычислениях — это любые помехи извне и неточности оборудования, из-за которых кубиты «сбиваются» и вычисления дают ошибку. Проще говоря, это все, что мешает кубитам держать нужное состояние достаточно долго.
- Квантовая декогеренция — это распад «квантового поведения», когда из-за взаимодействия со средой кубит теряет суперпозицию и запутанность. Иными словами, квантовая система начинает вести себя как обычная, и полезная квантовая информация исчезает.
То есть что такое декогеренция в квантовых вычислениях? Сейчас она является основной проблемой, которая замедляет создание надежных квантовых компьютеров. Чаще всего ее вызывают такие внешние факторы, влияющие на состояние кубитов:
- тепловое воздействие;
- электромагнитные помехи;
- дефекты в физическом оборудовании;
- несовершенство самого процесса измерения.
Тепло может нарушать состояние кубитов точно так же, как и электромагнитные помехи. А дефекты в оборудовании приводят к ошибкам вроде переворота бита (bit flip) или сдвига фазы (phase flip). Наблюдение, в процессе которого считывается состояние кубита, может вызвать коллапс его квантовой суперпозиции.
Как держать кубиты в строю: три способа
Есть несколько способов избежать или смягчить последствия перечисленных выше проблем: квантовое управление, смягчение ошибок и квантовая коррекция ошибок.
Квантовое управление (Quantum control)
Это набор техник для точной настройки и проведения квантовых операций: калибровка частот, длительностей и форм импульсов, стабилизация температуры, экранирование и оптимизация измерений. Конечная цель квантового управления — снизить частоту ошибок во время выполнения операций и увеличить время, в течение которого кубит остается «квантовым».
Смягчение ошибок (Error Mitigation)
Это программно-алгоритмические техники для приближения результата к «нулевому шуму» без построения логических кубитов. Особенно полезны на текущих NISQ-устройствах. Так называют «шумные» квантовые компьютеры промежуточного масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum) — современное поколение квантовых машин, имеющих существенные ограничения из-за высокого уровня шума и ошибок. Они ограничивают вычислительные возможности NISQ-устройств, но все еще могут использоваться в решении определенных задач.
Квантовая коррекция ошибок (QEC)
Это активная защита, при которой один логический кубит кодируется в множестве физических. При этом ошибки исправляются в режиме времени. Есть мнение, что без QEC просто невозможно существование надежных квантовых компьютеров. Этот подход создает избыточность, позволяющую обнаруживать и исправлять ошибки, не разрушая полезную информацию.
В чем разница между квантовой коррекцией и смягчением ошибок — смотрите в таблице:
| Критерий | Квантовая коррекция ошибок | Смягчение ошибок |
|---|---|---|
| Подход | Активная защита: кодирует один логический кубит в множество физических, измеряет синдромы и исправляет ошибки в реальном времени | Пассивные/алгоритмические техники: уменьшают влияние шума на итоговый результат без построения логических кубитов |
| Цель | Отказоустойчивые логические кубиты и длинные программы | Улучшить точность результатов на NISQ здесь и сейчас |
| Ресурсы | Нуждается в сотнях-тысячах физических на один логический и быстрый декодер | Требует дополнительных запусков/калибровок и вычислений, но без логических кодов |
| Эффект | Снижает логическую ошибку экспоненциально при росте расстояния кода (ниже порога) | Компенсирует влияние шума на измерения, но не делает систему отказоустойчивой |
На практике квантовую коррекцию ошибок сложно реализовать. Дело в том, что квантовые ошибки непрерывны, а состояние кубита может изменить даже сам факт его измерения. Поэтому реализация этого подхода требует огромной технической точности и высоких накладных расходов физических кубитов. Поэтому прорывные шаги в вопросе квантовой коррекции ошибок удалось сделать нескольким крупным компаниям — об их достижениях пойдет речь ниже.
Chief Operating Officer Colobridge, Андрей Михайленко:
«Квантовая коррекция ошибок — это своеобразный индикатор зрелости индустрии квантовых вычислений. Как только при масштабировании они будут демонстрировать меньше логических сбоев, впереди нас будут ждать реальные сервисы, расширение сфер применения квантовых вычислений и новые бизнес-кейсы. Для IT-команд это автоматически означает: необходимо готовиться к гибридным инфраструктурам, где квантовые вычисления будут соседствовать с вычислениями традиционными, дополняя друг друга в разных задачах».
Кто достиг успеха в квантовой коррекции ошибок
Последние достижения в коррекции ошибок ускоряют сроки создания универсальных отказоустойчивых квантовых компьютеров. Ниже перечислены некоторые ключевые успехи, которые технологические гиганты продемонстрировали в плане квантовой коррекции ошибок.
Квантовый чип Willow (Google). Последний процессор Google Quantum AI показал «ниже порога» для поверхностного кода с экспоненциальным снижением логической ошибки по мере роста расстояния кода, что означает улучшение качества логического кубита при добавлении физических кубитов и работе коррекции в реальном времени; в публикациях указывается решетка порядка ста физических кубитов и наглядное «beyond breakeven» поведение логического ресурса.
Топологический подход Microsoft (Majorana 1). Компания Microsoft представила чип на топологической архитектуре с целью встроить устойчивость к ошибкам на уровне материалов и устройств, обещая снижение накладных расходов по сравнению с традиционными кодами; сообщество оценивает прогресс осторожно-оптимистично, поскольку сейчас идет валидация ключевых примитивов и режимов работы майорановских мод.
IBM. В 2024 году эта компания продемонстрировала удержание 12 логических кубитов на кодах класса qLDPC с ресурсом 288 физических кубитов и длительностью близкой к миллиону циклов, что стало важной вехой логической памяти. В своей дорожной карте IBM заявили, что к 2029 году будет создана система уровня Starling с порядка 200 логических кубитов и глубиной до примерно 100 млн логических операций.
Quantinuum (ионные ловушки). На H-серии ионно-ловушечных машин компания продемонстрировала «высоконадежные логические кубиты» и вычислительные прототипы с коррекцией ошибок, включая совместные работы с Microsoft по виртуализации кубитов. Также сообщили о кратном улучшении логической ошибки относительно физической и выполнении логических вычислений во время циклов коррекции.
Alice & Bob («кошачьи» кубиты). В 2024 были показаны результаты, указывающие на движение к высоконадежным логическим примитивам на базе «кошачьих» кубитов, которые по природе защищены от одного типа ошибок (обычно переворота бита). Для полной отказоустойчивости все равно нужны схемы, покрывающие фазовые ошибки и интеграция с кодами/процедурами коррекции.
Нейтральные атомы (QuEra/Harvard/MIT/NIST). Компания отчиталась о выполнении сложных алгоритмических процедур с коррекцией ошибок на системах нейтральных атомов с масштабом вплоть до нескольких десятков логических кубитов, в том числе заявления о 48 логических кубитах в рамках экспериментальных демонстраций; формулировки стоит сохранять аккуратными, подчеркивая экспериментальный статус и конкретику задач.
AWS (ошибки «стирания»). Команда AWS показала тип кубита и методики, переводящие значительную долю ошибок в класс «ошибок стирания», которые проще детектировать и исправлять, что потенциально снижает накладные расходы коррекции и ускоряет декодинг. Сейчас это направление активно развивается и рассматривается как «hardware-efficient» стратегия для ускорения пути к отказоустойчивости.
Самое важное о квантовой коррекции ошибок
- Квантовая коррекция ошибок — активная защита: исправляет ошибки «на лету».
- Без QEC длинные алгоритмы разваливаются из-за шума и декогеренции.
- Логические кубиты собирают из многих физических, чтобы снизить количество шумов и сбоев.
- Квантовое управление уменьшает ошибки до коррекции, смягчение — улучшает результат без логических кубитов.
- Квантовые системы движутся к устойчивости: определенные наработки показывают Google, Microsoft, IBM и Quantinuum.
Вам уже нужна стабильная инфраструктура под ресурсоемкие задачи? Оставьте заявку — и менеджеры Colobridge предложат вам оптимальный вариант размещения ваших нагрузок на нашей технологической платформе.
