Квантовый компьютер — очень странное устройство, в основе которого лежит совершенно не укладывающаяся в голове многих людей абстрактная идея суперпозиции. И именно это делает такие устройства многократно более чувствительными к квантовым ошибкам, возникающим по разным причинам. Их исправление очень важно для создания практических квантовых компьютеров, которые смогут выполнять полезные вычисления. В противном случае ошибки быстро разрушат хрупкую квантовую информацию. Как же наука сегодня предлагает решать эту проблему?

Привет, меня зовут Алексей, занимаюсь популяризацией квантовых технологий, венчурными инвестициями, ищу решения практических бизнес-задач с помощью передовых технологий и оцениваю доходность перспективных проектов.

С развитием технологии количество кубитов в квантовых компьютерах постепенно растёт. Впрочем, текущего уровня ещё совершенно недостаточно, чтобы обеспечивать полностью отказоустойчивые вычисления. При этом для выполнения программ нужно стремиться задействовать как можно меньше кубитов. Один из способов добиться этого — повторное использование, когда каждый кубит при выполнении программы задействуется не один раз, а как можно больше. Вычислили какую-то операцию, сбросили состояние использованных для этого кубитов и снова пустили их в работу. Есть три «магистральных» подхода к реализации повторного использования: квантовая телепортация, квантовая коррекция ошибок и квантовые вычисления на основе измерений.

Ошибки в обычных компьютерах

При решении любых задач на современных компьютерах обычно происходит менее одной ошибки на миллион миллиардов (10¹⁵) операций. То есть мы можем считать, что для большинства задач в компонентах такого устройства полностью отсутствует «шум» — ошибки в вычислениях, которые могут возникнуть из-за несовершенства физической реализации компьютера. При этом такие компоненты, как модемы и CD-приводы существенно подвержены шуму. Для нивелирования его воздействия используют корректирующие коды (коды коррекции ошибок): в данные добавляется структурированная избыточная информация, и, если часть данных будет по какой-то причине испорчена, избыточность позволит нам восстановить всю исходную информацию.

Квантовые ошибки

Ошибки в квантовых вычислениях могут возникнуть из-за:

• декогеренции — нарушения предсказуемого и взаимосвязанного состояния частиц, когда квантово‑механическая система взаимодействует с окружающей средой посредством необратимого с точки зрения термодинамики процесса;

• ошибок управления;

• «шума» окружающей среды.

Коррекция квантовых ошибок становится всё более востребованной. Главная трудность заключается в том, чтобы точно определять их источники и причины. А поскольку всё происходит на уровне элементарных частиц, разработчики должны очень глубоко разбираться в физических принципах и устройстве квантовых компьютеров. И также требуются специализированные инструменты определения.

Причины коррекции квантовой ошибки:

1. Квантовые состояния невероятно хрупки и подвержены ошибкам. Даже малейшее изменение может стать фатальным. Например, один фотон, который поглощается или рассеивается средой, может перевернуть кубит, что приведёт к вычислительной ошибке.

2. По мере роста размера квантового компьютера растёт и вероятность ошибок в нём. Чем больше неидеальных вычислительных элементов в конструкции, тем больше они привносят «шума». Возникает экспоненциальный рост количества ошибок.

3. Коррекция квантовых ошибок зависит от принципов квантового запутывания. Идея в том, чтобы создать код, который распространяется по нескольким кубитам, так что любая ошибка может быть обнаружена и исправлена без нарушения самих вычислений. Для этого применяют запутанные состояния между кубитами.

4. Для исправления квантовых ошибок нужна избыточность в квантовых состояниях. Это означает, что несколько копий одного и того же квантового состояния хранятся в разных кубитах.

Методы коррекции квантовых ошибок

Для лучшей защиты от квантовых ошибок и шума предлагают использовать логические кубиты, каждый из которых «собирают» из нескольких физических кубитов. Но это ведёт к снижению вычислительной мощности компьютера, поэтому чем больше физических кубитов будет доступно, тем выше надёжность вычислений.

Также для коррекции ошибок увеличивают количество измерений, разрабатывают алгоритмы с меньшим количеством операций, настраивают квантовые вентили.

Как и в обычных компьютерах, квантовые ошибки исправляют и с помощью добавления избыточной информации. Впрочем, на этом сходство заканчивается, потому что в квантовых компьютерах нельзя применять алгоритмы коррекции, созданные для кремниевых процессоров, это ограничение на нас накладывает сама природа квантовых вычислений. Сегодня чаще всего применяют коды стабилизатора, разработанные на основе теории коррекции квантовых ошибок Питера Шора и Эндрю Стана. Но это не единственная составляющая, применяют также коды обнаружения ошибок, коды коррекции ошибок и устойчивые к неисправности коды. У каждого типа свои преимущества и недостатки, и исследователи ищут более эффективные и надёжных способы. Один из самых перспективных подходов — квантовые коды, которые позволяют одновременно исправлять множественные ошибки. Их ещё называют топологическими кодами, потому что в их основе лежит принцип топологической защиты, являющийся свойством определённых материалов.

Для обнаружения и исправления ошибок, которые могут возникнуть в кубитах, применяют коды коррекции ошибок. Например, код битов с тремя кубитами. В нём используются три кубита, чтобы кодировать один логический кубит таким образом, чтобы любой из трёх мог быть измерен для обнаружения ошибки. Если обнаружена ошибка, код может исправить её, перевернув значение затронутого кубита.

Другой аспект коррекции квантовой ошибки — устойчивость к ошибкам: способность системы продолжать работать, даже когда один или несколько её компонентов «зашумлены». Отчасти это реализовано в квантовых компьютерах поколения NISQ, поэтому с определённой натяжкой их уже можно рассматривать с практической точки зрения. Устойчивость к «шуму» необходима для создания надёжных квантовых компьютеров, которые могут выполнять сложные вычисления.

Поверхностный код — такой корректирующий код, который сам должен быть устойчив к ошибкам. Это двумерный массив кубитов, который использует комбинацию операций измерения и коррекции ошибок для защиты кубитов от шума. Считается одним из наиболее перспективных кодов исправления ошибок.

Заключение

Коды коррекции ошибок — важная часть усилий по защите кубитов от шума и других ошибок в квантовых вычислениях. Эти коды необходимы для разработки надёжных квантовых компьютеров, которые смогут выполнять сложные расчёты. И хотя есть трудности с реализацией, это многообещающая технология для будущего вычислений.

Избыток шумов в квантовых компьютерах не позволяет выйти за рамки экспериментальных устройств. Решение, вероятно, будет найдено в интеграции квантовых систем с классическими (неквантовыми). Чтобы собрать достаточно сбалансированную систему с минимальным уровнем шума, предлагают использовать в её основе ридберговские кубиты. Сейчас на их основе разрабатывается программа «оптимизации с помощью квантовых устройств промежуточных результатов с шумом» (ONISQ). Ридберговские кубиты ценны однородностью свойств: каждый кубит по поведению неотличим от другого. Этого не скажешь про другие платформы, такие как сверхпроводящие кубиты, каждый из которых уникален и не взаимозаменяем, как и нейроны в мозге человека. Поэтому у нас сохранение высокой работоспособности связано не с наращиванием количества нейронов, а с развитием и упорядочиванием связей между ними. Пока что учёным из DARPA удалось соединить 48 логических кубитов, но для достижения уровня сложности, необходимого для практических квантовых компьютеров, потребуется гораздо больше. Считается, что с новой методологией разработка потребует гораздо меньше времени и ресурсов, чем предполагалось изначально.