Процессор Google Willow сократил ошибки в квантовых вычислениях в 40 раз

Подразделение Google Quantum AI применило метод «культивации» на чипе Willow, чтобы снизить уровень ошибок в магических состояниях. Исследование, опубликованное в журнале Science, подтверждает: точность вычислений достигла 99,99%. Эти состояния необходимы квантовому компьютеру для запуска алгоритмов, с которыми не справляются обычные системы.

Эмма Розенфельд и Крейг Гидни из Google объяснили, что культивация магических состояний на практике снижает количество сбоев в 40 раз по сравнению со стандартными методами. Чтобы добиться таких цифр, инженерам пришлось решить проблему помех, которые изначально выглядели как нарушение законов физики.

Решение проблемы двадцатилетней давности

Квантовые компьютеры используют кубиты, способные находиться в суперпозиции нуля и единицы. Для полноценной работы системе нужны определенные операции, например T-гейты. Их невозможно защитить от шума напрямую через обычные протоколы коррекции ошибок.

В 2004 году физики Сергей Бравий и Алексей Китаев предложили выход: готовить специальные «магические состояния» отдельно и использовать их как ресурс для операций. Однако этот метод крайне затратен. По расчетам ученых, создание таких состояний может поглощать до 95% всей мощности квантового компьютера. При этом каждое состояние расходуется за один раз.

Требования к качеству при этом колоссальные. Для взлома шифра RSA с ключом 2048 бит требуются магические состояния с вероятностью ошибки не выше одного случая на 10 миллиардов.

Фильтр для бракованных кубитов

Метод культивации, предложенный командой Google Quantum AI в 2024 году, работает как многоступенчатый фильтр. Вместо сложной и дорогой «дистилляции», культивация постепенно наращивает надежность состояния прямо в процессе его создания.

Система формирует состояние в небольшом секторе чипа и запускает серию скоординированных измерений. Если проверка находит малейший шум, попытка прерывается и цикл начинается заново. В ходе последних тестов только 8% созданных состояний прошли проверку, но именно они продемонстрировали рекордно низкий уровень ошибок.

Результаты на чипе Willow

Эксперимент проводили на Willow — сверхпроводниковом процессоре Google со 105 кубитами. Инженеры задействовали часть чипа, организованную по принципу цветового кода (distance 3). Это схема, где данные одного логического кубита распределяются между несколькими физическими, чтобы случайный сбой не уничтожил информацию.

Без культивации вероятность логической ошибки составляла 0,44%. С новым методом показатель упал до 0,01–0,02%. Это означает, что чистота магических состояний оказалась выше, чем точность работы самих физических компонентов процессора.

Для тонкой настройки системы авторы использовали обучение с подкреплением. Алгоритм корректировал параметры чипа методом проб и ошибок, чтобы максимально снизить уровень регистрируемого шума. В работе участвовали почти 300 специалистов из Google Research, НАСА и нескольких американских университетов.

Борьба с лабораторным шумом

Эмма Розенфельд выяснила, что на точность измерений влияли внешние факторы: изменения температуры в лаборатории и электрический дрейф оборудования. Из-за этого стандартные тесты давали неверные результаты.

Чтобы обойти проблему, команда создала технологию kickback tomography. Она использует саму культивацию для самодиагностики. Новый метод позволяет фиксировать ошибки с точностью до одной десятитысячной всего за 10 000 измерений. Обычная томография потребовала бы около 100 миллионов операций.

Также исследователи успешно провели «прививку» (grafting). Они научились переносить очищенные магические состояния из зоны их создания в более устойчивый поверхностный код. Это доказывает, что очищенные кубиты могут перемещаться внутри оборудования без потери качеств.

Оставшиеся задачи

Технология пока находится на стадии обкатки. Сейчас система отбраковывает 92% попыток создания состояний. Для создания полноценного квантового компьютера нужно научиться применять T-гейты в реальном времени и масштабировать процесс на сотни и тысячи кубитов.

Дальнейший прогресс зависит от качества «железа». По расчетам авторов, если снизить шум процессора вдвое, ошибка магических состояний упадет еще сильнее, приблизившись к значениям, необходимым для практических вычислений.