Автор: Бахмат М.
Квантові комп’ютери обіцяють проривну обчислювальну потужність уже наприкінці цього десятиліття. Але справжньою сенсацією стане момент, коли інженерам вдасться подолати наслідки шуму й квантової декогеренції, які «ламають» квантові обчислення ще до отримання корисного результату. «Крихкість» кубітів усе ще не вдалося подолати, проте вже зроблено певні кроки в цьому напрямку. Наприклад, сьогодні індустрія спирається на квантову корекцію помилок — технологію, що збирає один логічний кубіт із багатьох фізичних і активно виправляє збої під час виконання алгоритмів.
- Чому кубіти крихкі? Що таке шум і декогеренція
- Як тримати кубіти «в строю»: три способи
- Хто досяг успіху в квантовій корекції помилок
- Найважливіше про квантову корекцію помилок
Логічний кубіт — це захищена одиниця квантової інформації, закодована на багатьох фізичних кубітах за допомогою методів корекції помилок. Він є ключовим, оскільки окремі фізичні кубіти надто зашумлені для складних обчислень. Стабільні логічні кубіти є справжніми будівельними блоками відмовостійкого квантового комп’ютера.
Чому кубіти крихкі? Що таке шум і декогеренція
Якщо ви трохи знайомі з основами квантових обчислень, то вже чули про те, що кубіти за своєю природою крихкі. Це означає, що їхні квантові стани легко змінити зовнішнім впливом. Крихкість кубітів безпосередньо пов’язана з двома ключовими поняттями: шумом і декогеренцією.
- Шум у квантових обчисленнях — це будь-які зовнішні перешкоди та неточності обладнання, через які кубіти «збиваються», а обчислення дають помилку. Простіше кажучи, це все, що заважає кубітам утримувати потрібний стан достатньо довго.
- Квантова декогеренція — це розпад «квантової поведінки», коли через взаємодію із середовищем кубіт втрачає суперпозицію та заплутаність. Іншими словами, квантова система починає поводитися як звичайна, і корисна квантова інформація зникає.
Тобто що таке декогеренція у квантових обчисленнях? Зараз вона є основною проблемою, що уповільнює створення надійних квантових комп’ютерів. Найчастіше її спричиняють такі зовнішні фактори, що впливають на стан кубітів:
- тепловий вплив;
- електромагнітні перешкоди;
- дефекти у фізичному обладнанні;
- недосконалість самого процесу вимірювання.
Тепло може порушувати стан кубітів так само як і електромагнітні перешкоди. А дефекти в обладнанні призводять до помилок на кшталт перевороту біта (bit flip) або зсуву фази (phase flip). Спостереження, під час якого зчитується стан кубіта, може спричинити колапс його квантової суперпозиції.
Як тримати кубіти «в строю»: три способи
Є кілька способів уникнути або пом’якшити наслідки перелічених вище проблем: квантове керування, пом’якшення помилок і квантова корекція помилок.
Квантове керування (Quantum control)
Це набір технік для точної настройки та проведення квантових операцій: калібрування частот, тривалостей і форм імпульсів, стабілізація температури, екранування й оптимізація вимірювань. Кінцевою метою квантового керування є зниження частоти помилок під час виконання операцій і збільшення часу, впродовж якого кубіт залишається «квантовим».
Пом’якшення помилок (Error Mitigation)
Це програмно-алгоритмічні техніки для наближення результату до «нульового шуму» без побудови логічних кубітів. Особливо корисні на поточних NISQ-пристроях. Так називають «шумні» квантові комп’ютери проміжного масштабу (Noisy Intermediate-Scale Quantum) — сучасне покоління квантових машин, що мають суттєві обмеження через високий рівень шуму й помилок. Вони обмежують обчислювальні можливості NISQ-пристроїв, але все ще можуть використовуватися для розв’язання окремих завдань.
Квантова корекція помилок (QEC)
Це активний захист, за якого один логічний кубіт кодується в багатьох фізичних. При цьому помилки виправляються в реальному часі. Є думка, що без QEC просто неможливе існування надійних квантових комп’ютерів. Цей підхід створює надлишковість, що дозволяє виявляти й виправляти помилки, не руйнуючи корисну інформацію.
У чому різниця між квантовою корекцією та пом’якшенням помилок — дивіться в таблиці:
| Критерій | Квантова корекція помилок | Пом’якшення помилок |
|---|---|---|
| Підхід | Активний захист: кодує один логічний кубіт у безліч фізичних, вимірює синдроми й виправляє помилки в реальному часі | Пасивні/алгоритмічні техніки: зменшують вплив шуму на підсумковий результат без побудови логічних кубітів |
| Мета | Відмовостійкі логічні кубіти та довгі програми | Покращити точність результатів на NISQ тут і зараз |
| Ресурси | Потребує сотень–тисяч фізичних на один логічний + швидкий декодер | Потребує додаткових запусків/калібрувань і обчислень, але без логічних кодів |
| Ефект | Знижує логічну помилку експоненційно зі зростанням відстані коду (нижче порога) | Компенсує вплив шуму на вимірювання, але не робить систему відмовостійкою |
На практиці квантову корекцію помилок складно реалізувати. Річ у тім, що квантові помилки неперервні, а стан кубіта може змінити навіть сам факт його вимірювання. Тому реалізація цього підходу потребує величезної технічної точності та високих накладних витрат фізичних кубітів. Тому проривні кроки у питанні квантової корекції помилок вдалося зробити кільком великим компаніям — про їхні досягнення йтиметься нижче.
Chief Operating Officer Colobridge, Андрій Михайленко:
«Квантова корекція помилок — це своєрідний індикатор зрілості індустрії квантових обчислень. Як тільки під час масштабування вони демонструватимуть менше логічних збоїв, попереду на нас чекатимуть реальні сервіси, розширення сфер застосування квантових обчислень і нові бізнес-кейси. Для IT-команд це автоматично означає: необхідно готуватися до гібридних інфраструктур, де квантові обчислення сусідитимуть із традиційними, доповнюючи одне одного в різних завданнях».
Хто досяг успіху в квантовій корекції помилок
Останні досягнення в корекції помилок пришвидшують строки створення універсальних відмовостійких квантових комп’ютерів. Нижче перелічено деякі ключові успіхи, які технологічні гіганти продемонстрували у сфері квантової корекції помилок.
Квантовий чип Willow (Google). Останній процесор Google Quantum AI показав «нижче порога» для поверхневого коду з експоненційним зниженням логічної помилки зі зростанням відстані коду, що означає поліпшення якості логічного кубіта під час додавання фізичних кубітів і роботи корекції в реальному часі; у публікаціях вказується решітка порядку ста фізичних кубітів і наочна «beyond breakeven» поведінка логічного ресурсу.
Топологічний підхід Microsoft (Majorana 1). Компанія Microsoft представила чип на топологічній архітектурі з метою вбудувати стійкість до помилок на рівні матеріалів і пристроїв, обіцяючи зниження накладних витрат порівняно з традиційними кодами; спільнота оцінює прогрес обережно-оптимістично, оскільки зараз іде валідація ключових примітивів і режимів роботи майоранівських мод.
IBM. У 2024 році ця компанія продемонструвала утримання 12 логічних кубітів на кодах класу qLDPC з ресурсом 288 фізичних кубітів і тривалістю, близькою до мільйона циклів, що стало важливою віхою логічної пам’яті. У своїй дорожній карті IBM заявила про те, що до 2029 року буде створено систему рівня Starling із близько 200 логічними кубітами та глибиною до приблизно 100 млн логічних операцій.
Quantinuum (іонні пастки). На H-серії іонно-пасткових машин компанія продемонструвала «високонадійні логічні кубіти» й обчислювальні прототипи з корекцією помилок, зокрема спільні роботи з Microsoft щодо віртуалізації кубітів. Також повідомлялося про кратне поліпшення логічної помилки відносно фізичної й виконання логічних обчислень під час циклів корекції.
Alice & Bob («котячі» кубіти). У 2024 році було показано результати, що вказують на рух до високонадійних логічних примітивів на базі «котячих» кубітів, які за своєю природою захищені від одного типу помилок (зазвичай перевороту біта). Для повної відмовостійкості все одно потрібні схеми, що покривають фазові помилки, і інтеграція з кодами/процедурами корекції.
Нейтральні атоми (QuEra/Harvard/MIT/NIST). Компанія відзвітувала про виконання складних алгоритмічних процедур із корекцією помилок на системах нейтральних атомів із масштабом до кількох десятків логічних кубітів, зокрема заяви про 48 логічних кубітів у межах експериментальних демонстрацій; формулювання варто зберігати обережними, підкреслюючи експериментальний статус і конкретику завдань.
AWS (помилки «стертя»). Команда AWS показала тип кубіта й методики, що переводять значну частку помилок у клас «помилок стертя», які простіше детектувати й виправляти, що потенційно знижує накладні витрати корекції та пришвидшує декодування. Зараз цей напрям активно розвивається й розглядається як «hardware-efficient» стратегія для прискорення шляху до відмовостійкості.
Найважливіше про квантову корекцію помилок
- Квантова корекція помилок — активний захист: виправляє помилки «на льоту».
- Без QEC довгі алгоритми розвалюються через шум і декогеренцію.
- Логічні кубіти збирають із багатьох фізичних, щоб зменшити кількість шумів і збоїв.
- Квантове керування зменшує помилки до корекції, пом’якшення — покращує результат без логічних кубітів.
- Квантові системи рухаються до стійкості: певні напрацювання демонструють Google, Microsoft, IBM і Quantinuum.
Вам уже потрібна стабільна інфраструктура під ресурсомісткі завдання? Залиште заявку — і менеджери Colobridge запропонують вам оптимальний варіант розміщення ваших навантажень на нашій технологічній платформі.
