Folosirea aproape întregului cip pentru un qubit logic oferă stabilitate pe termen lung.
Noul cip Willow de la Google este prima generație nouă de cipuri în aproximativ cinci ani. Credit: Google
Luni, Nature a lansat o lucrare din partea echipei de calcul cuantic a Google, care oferă o demonstrație cheie a potențialului de corectare a erorilor cuantice. Datorită unui procesor îmbunătățit, echipa Google a descoperit că creșterea numărului de qubiți hardware dedicați unui qubit logic corectat de erori a dus la o creștere exponențială a performanței. Până la momentul în care întregul procesor de 105 qubit a fost dedicat găzduirii unui singur qubit corectat de eroare, sistemul era stabil pentru o medie de o oră.
De fapt, Google i-a spus lui Ars că erorile pe acest singur qubit logic sunt suficient de rare încât a fost dificil să le studiezi. Lucrarea oferă o validare semnificativă a faptului că corectarea erorilor cuantice este probabil capabilă să sprijine execuția unor algoritmi complecși care ar putea necesita ore pentru a se executa.
Un nou fabulos
Google face o serie de anunțuri în asociere cu lansarea lucrării (o versiune anterioară a lucrării a fost sus pe arXiv din august). Unul dintre acestea este că compania este suficient de dedicată eforturilor sale de calcul cuantic încât și-a construit propria unitate de fabricație pentru procesoarele sale supraconductoare.
„În trecut, toate dispozitivele Sycamore despre care ați auzit au fost fabricate într-o cameră curată a universității, lângă studenți absolvenți și oameni care făceau lucruri nebunești”, spune Google. Julian Kelly spuse. „Și am făcut această investiție cu adevărat semnificativă în aducerea online a acestei noi unități, angajarea personalului, completarea acestuia cu instrumente, transferul procesului lor. Și asta ne permite să avem mult mai mult control al procesului și unelte dedicate.”
Acesta va fi probabil un pas critic pentru companie, deoarece capacitatea de a fabrica dispozitive de testare mai mici poate permite explorarea multor idei despre cum să structurați hardware-ul pentru a limita impactul zgomotului. Primul produs anunțat public al acestui laborator este procesorul Willow, cel de-al doilea design al Google, care își crește numărul de qubit la 105. Kelly a spus că una dintre modificările aduse cu Willow a implicat de fapt mărirea pieselor individuale ale qubitului, ceea ce le face oarecum mai mari. mai puțin sensibil la influența zgomotului.
Toate acestea au condus la o rată de eroare mai mică, ceea ce a fost critic pentru munca depusă în noua lucrare. Acest lucru a fost demonstrat prin alergare Benchmarkul preferat al Googleunul despre care recunoaște că este conceput într-un mod pentru a face calculul cuantic să arate cât mai bine posibil. Totuși, oamenii și-au dat seama cum să facă îmbunătățiri ale algoritmilor pentru computerele clasice, care le-au menținut în cea mai mare parte competitive. Dar, cu toate îmbunătățirile, Google se așteaptă ca hardware-ul cuantic să fie ferm în frunte. „Credem că partea clasică nu va depăși niciodată cuantica în acest benchmark, deoarece acum ne uităm la ceva de pe noul nostru cip care durează mai puțin de cinci minute, ar dura 10.25 ani, ceea ce este mult mai lung decât vârsta Universului”, a spus Kelly.
Construirea de qubiți logici
Lucrarea se concentrează pe comportamentul qubiților logici, în care o colecție de qubiți hardware individuali sunt grupați într-un mod care permite detectarea și corectarea erorilor. Acestea vor fi esențiale pentru rularea oricăror algoritmi complexi, deoarece hardware-ul însuși întâmpină erori suficient de des pentru a face unele inevitabile în timpul oricăror calcule complexe.
Acest lucru creează în mod natural o piatră de hotar cheie. Puteți obține o corectare mai bună a erorilor adăugând mai mulți qubiți hardware la fiecare qubit logic. Dacă fiecare dintre acești qubiți hardware produce erori la o rată suficientă, totuși, atunci veți întâmpina erori mai repede decât le puteți corecta. Trebuie să obțineți qubiți hardware de o calitate suficientă înainte de a începe să beneficiați de qubiți logici mai mari. Hardware-ul Google anterior avea a trecut de acea piatră de hotardar abia. Adăugarea mai multor qubit-uri hardware la fiecare qubit logic a făcut doar o îmbunătățire marginală.
Nu mai este cazul. Procesoarele Google au qubiții hardware așezați pe o rețea pătrată, fiecare fiind conectat la cei mai apropiați vecini (de obicei patru, cu excepția marginilor rețelei). Și există o structură specifică de cod de corectare a erorilor, numită cod de suprafață, care se potrivește perfect în această grilă. Și puteți utiliza coduri de suprafață de diferite dimensiuni utilizând progresiv mai mult din grilă. Mărimea grilei care este utilizată este măsurată printr-un termen numit distanță, cu distanță mai mare însemnând un qubit logic mai mare și, prin urmare, o mai bună corecție a erorilor.
(Pe lângă un cod de suprafață standard, Google include câțiva qubiți care se ocupă un fenomen numită „scurgere”, unde un qubit ajunge într-o stare de energie mai mare, în loc de cele două stări de energie scăzută definite ca zero și unu.)
Rezultatul cheie este că trecerea de la o distanță de trei la o distanță de cinci a dublat mai mult decât capacitatea sistemului de a captura și corecta erorile. Trecerea de la o distanță de cinci la o distanță de șapte a dublat din nou. Ceea ce arată că qubiții hardware au atins o calitate suficientă încât punerea mai multor dintre ei într-un qubit logic are un efect exponențial.
„Pe măsură ce creștem grila de la trei cu trei la cinci cu cinci la șapte cu șapte, rata de eroare scade cu un factor de doi de fiecare dată”, a spus Google. Michael Newman. „Și asta este acea suprimare exponențială a erorilor pe care o dorim”.
Merge mare
Al doilea lucru pe care l-au demonstrat este că, dacă faci cel mai mare qubit logic pe care hardware-ul îl poate suporta, cu o distanță de 15, este posibil să te agăți de informațiile cuantice pentru o medie de o oră. Acest lucru este surprinzător deoarece lucrările anterioare ale Google au descoperit că procesoarele sale întâmpină erori simultane pe scară largă pe care echipa le-a atribuit impactului razelor cosmice. (IBM, totuși, a indicat că nu vede nimic similar, așa că nu este clar dacă acest diagnostic este corect.) Acestea s-au întâmplat la fiecare 10 secunde sau cam așa ceva. Dar această lucrare arată că un cod de eroare suficient de mare poate corecta aceste evenimente, indiferent de cauza lor.
Acestea fiind spuse, acești qubiți nu supraviețuiesc la infinit. Una dintre ele pare să fie o creștere temporară localizată a erorilor. A doua problemă, mai dificil de rezolvat, implică o creștere larg răspândită în detectarea erorilor care afectează o zonă care include aproximativ 30 de qubiți. În acest moment, însă, Google a văzut doar șase dintre aceste evenimente, așa că i-au spus lui Ars că este dificil să le caracterizezi cu adevărat. „Este atât de rar încât începe de fapt să devină un pic dificil de studiat pentru că trebuie să obții o mulțime de statistici pentru a vedea chiar acele evenimente”, a spus Kelly.
Dincolo de durabilitatea relativă a acestor qubiți logici, lucrarea remarcă un alt avantaj al folosirii unor distanțe mai mari de cod: sporește impactul îmbunătățirilor ulterioare ale hardware-ului. Google estimează că la o distanță de 15, îmbunătățirea performanței hardware cu un factor de doi ar reduce erorile în qubit-ul logic cu un factor de 250. La o distanță de 27, aceeași îmbunătățire hardware ar duce la o îmbunătățire de peste 10.000 în performanța qubitului logic.
Rețineți că nimic din toate acestea nu va aduce vreodată rata de eroare la zero. În schimb, trebuie doar să aducem rata de eroare la un nivel în care o eroare este puțin probabilă pentru un anumit calcul (calculele mai complexe vor necesita o rată de eroare mai mică). „Merită să înțelegeți că va exista întotdeauna un tip de nivel de eroare și trebuie doar să-l împingeți suficient de jos până la punctul în care practic este irelevant”, a spus Kelly. „De exemplu, am putea fi loviți de un asteroid și întregul Pământ ar putea exploda și aceasta ar fi o eroare corelată pentru care computerul nostru cuantic nu este construit în prezent pentru a fi robust.”
Evident, va trebui făcută multă muncă suplimentară atât pentru ca qubiții logici ca acesta să supraviețuiască și mai mult, cât și pentru a ne asigura că avem hardware-ul pentru a găzdui suficienți qubiți logici pentru a efectua calcule. Dar îmbunătățirile exponențiale de aici, pentru Google, sugerează că nu există nimic evident în calea acestui lucru. „Ne-am trezit într-o dimineață și am cam obținut aceste rezultate și ne-am spus: wow, asta va funcționa”, a spus Newman. „Acesta este cu adevărat.”
Natura, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08449-y (Despre DOI).
John este editorul științific al Ars Technica. Are o licență în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când este separat fizic de tastatură, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru a comunica cu bocancii de drumeție.
Comentarii recente