Corectarea erorilor cuantice folosită pentru a corecta efectiv erorile

Hardware-ul de calcul cuantic de astăzi este sever limitat în ceea ce poate face prin erori greu de evitat. Pot exista probleme cu orice, de la setarea stării inițiale a unui qubit până la citirea ieșirii sale, iar qubiții își vor pierde ocazional starea fără să facă nimic. Unii dintre procesoarele cuantice existente astăzi nu pot folosi toți qubiții lor individuali pentru un singur calcul fără ca erorile să devină inevitabile.

Soluția este să combinați mai mulți qubit-uri hardware pentru a forma ceea ce se numește un qubit logic. Acest lucru permite ca un singur bit de informații cuantice să fie distribuit între mai mulți qubiți hardware, reducând impactul erorilor individuale. Qubiții suplimentari pot fi utilizați ca senzori pentru a detecta erorile și a permite intervenții pentru a le corecta. Recent, au existat o serie de demonstrații că qubiții logici functioneaza in principiu.

Miercuri, Microsoft și Quantinuum au anunțat că qubiții logici funcționează mai mult decât în ​​principiu. „Am reușit să demonstrăm ceea ce se numește extracția sindromului activ sau, uneori, se mai numește și corectarea erorilor repetate”, spune Microsoft. Krysta Svore i-a spus lui Ars. „Și am reușit să facem acest lucru, astfel încât să fie mai bun decât rata de eroare fizică subiacentă. Deci funcționează de fapt.”

O stivă hardware/software

Microsoft are propriile eforturi de calcul cuantic și acționează, de asemenea, ca furnizor de servicii pentru hardware-ul altor companii. Serviciul său Azure Quantum permite utilizatorilor să scrie instrucțiuni pentru calculatoarele cuantice într-o manieră independentă de hardware și apoi să le ruleze pe ofertele a patru companii diferite, multe dintre ele bazate pe qubit-uri hardware radical diferiți. Totuși, această muncă a fost realizată pe o platformă hardware specifică: un computer cu ioni prinși de la o companie numită Quantinuum.

Am acoperit tehnologia din spatele computerelor lui Quantinuum când compania era un proiect intern la gigantul industrial Honeywell. Pe scurt, qubiții de ioni prinși beneficiază de un comportament consistent (nu există variații de la dispozitiv la dispozitiv al atomilor), ușurință de control și stabilitate relativă. Deoarece ionii pot fi mutați cu ușurință, este posibil să se încurce orice qubit cu oricare altul din hardware și să se efectueze măsurători asupra lor în timp ce calculele sunt în curs. „Acestea sunt câteva dintre capacitățile cheie: fidelitățile porților de doi qubiți, faptul că vă puteți deplasa și aveți toată conectivitatea prin mișcare și apoi măsurarea la mijlocul circuitului”, a spus Svore pentru Ars.

Hardware-ul lui Quantinuum întârzie într-o singură dimensiune: numărul total de qubiți. În timp ce unii dintre concurenții săi au împins peste 1.000 de qubiți, cel mai recent hardware al lui Quantinuum este limitat la 32 de qubiți.

Acestea fiind spuse, o rată de eroare scăzută este valoroasă pentru această lucrare. Qubiții logici funcționează prin combinarea mai multor qubiți hardware. Dacă fiecare dintre acești qubiți are o rată de eroare suficient de mare, combinarea acestora crește probabilitatea ca erorile să apară mai repede decât pot fi corectate. Deci rata de eroare trebuie să fie sub un punct critic pentru ca corectarea erorilor să funcționeze. Și tehnologiile qubit existente par a fi în acel moment— deși abia. Lucrările inițiale în acest domeniu fie abia detectaseră impactul corectării erorilor, fie pur și simplu înregistraseră erorile, dar nu le corectaseră.

După cum spune schița unui nou manuscris care descrie această lucrare, „Din câte știm, niciunul dintre aceste experimente nu a demonstrat rate de eroare logică mai bune decât ratele de eroare fizică”.

Microsoft este, de asemenea, bine poziționat pentru a face această activitate. Rolul său îi cere să traducă codul cuantic generic în comenzile necesare pentru a fi efectuate pe hardware-ul lui Quantinuum, inclusiv acționând ca furnizor de compilator. Și în cel puțin o parte a acestei lucrări, a folosit aceste cunoștințe pentru a optimiza în mod specific codul pentru a reduce timpul petrecut în mișcarea ionilor.

Corectarea erorilor corectează efectiv erorile

Lucrarea a presupus trei experimente. În primul, cercetătorii au format un qubit logic cu șapte qubiți hardware care dețin informații și trei qubiți auxiliari pentru detectarea și corectarea erorilor. Cei 32 de qubiți din hardware au permis crearea a doi dintre aceștia; s-au încurcat apoi, ceea ce a necesitat două operații de poartă. S-au verificat erorile în timpul inițializării qubiților și după încurcare. Aceste operațiuni au fost efectuate de mii de ori pentru a determina ratele de eroare.

Pe qubiti hardware individuali, rata de eroare a fost de 0,50%. Când a fost inclusă corectarea erorilor, această rată a scăzut la 0,05 la sută. Dar sistemul s-ar putea descurca și mai bine dacă ar identifica citiri care au indicat stări de eroare dificil de interpretat și ar elimina acele calcule. Efectuarea aruncării a scăzut rata de eroare la 0,001 la sută. Aceste cazuri au fost suficient de rare încât echipa să nu fie nevoită să arunce un număr semnificativ de operațiuni, dar au făcut totuși o diferență uriașă în rata de eroare.

Apoi, echipa a trecut la ceea ce ei numesc „cod de carbon”, care necesită 30 de qubiți fizici (24 de date și șase de corecție/detecție), ceea ce înseamnă că hardware-ul ar putea găzdui doar unul. Dar codul a fost optimizat și pentru hardware. „Cunoscând fidelitățile porților de doi qubiți, știind câte zone de interacțiune, cât de mult paralelism puteți avea, apoi ne optimizăm codurile de corectare a erorilor pentru asta”, a spus Svore.

Codul Carbon permite, de asemenea, identificarea erorilor care sunt dificil de corectat corect, permițând ca acele rezultate să fie eliminate. Odată cu corectarea erorilor și eliminarea erorilor dificil de remediat, rata de eroare a scăzut de la 0,8 la sută la 0,001 la sută – un factor de 800 diferență.

În cele din urmă, cercetătorii au efectuat runde repetate de operațiuni de poartă urmate de detectarea și corectarea erorilor pe un qubit logic folosind codul Carbon. Acestea au arătat din nou o îmbunătățire majoră datorită corectării erorilor (aproximativ un ordin de mărime) după o rundă. Cu toate acestea, până în a doua rundă, corectarea erorilor a redus rata de eroare doar la jumătate, iar orice efect a fost statistic nesemnificativ în runda a treia.

Deci, deși rezultatele ne spun că corectarea erorilor funcționează, ele indică, de asemenea, că hardware-ul nostru actual nu este încă suficient pentru a permite operațiunile extinse pe care le vor necesita calculele utile. Totuși, Svore a spus: „Cred că aceasta marchează o etapă esențială pe calea către calcule mai elaborate, care sunt tolerante la erori și fiabile” și a subliniat că a fost făcut pe hardware comercial de producție, mai degrabă decât pe o mașină academică unică.