Что-то много квантовых компьютеров в последнее время, но видимо весна...
Пару дней назад Amazon выпустила свои результаты работы в сторону КК. Я вообще довольно пристально слежу за ними, так как у них классная команда (включая Прескилла — видного теоретика квантовых вычислений). Их подход к квантовым вычислениям очень интересный, я подумал, что расскажу немного деталей.
Возможно, вы знаете, что главная проблема в квантовых компьютерах — не создание кубитов, на которых он будет работать, а защита их от внешних шумов. Для этого КК помещают в криостаты и всячески защищают (или, как в
прошлом посте, создают топологическую защиту). Но этого обычно недостаточно: нужно применять еще коррекцию ошибок. То есть, вокруг каждого кубита выстраивают сложную систему из дополнительных кубитов, которая детектирует и корректирует ошибки. Обычно разделяют физические кубиты и логические (кубит + вся система коррекции ошибок вокруг). Так вот, с нынешними алгоритмами на один логический кубит приходятся тысячи (или даже десятки тысяч) физических кубитов. То есть, если вам нужен алгоритм с 1000 логических кубитов, физически вам нужны миллионы кубитов. Напомню, что самые большие КК сейчас имеют как раз порядка 1000 физических кубитов, т.е. недостаточно даже для создания одного логического кубита.
Вообще ошибки можно разделить условно на два класса: переворот бита (bit-flip, т.е. состояние кубита меняется на противоположное) и потеря фазы (так как КК работают на интерференции волновых функций, фаза кубитов относительно друг друга очень важна). Кстати, порекламирую снова
пост Вастрика про квантовые компьютеры, если хочется вспомнить основы. Необходимость коррекции обоих типов и приводит к такому большому числу физических кубитов для реализации логического кубита. Так вот, Amazon придумали, как сделать кубиты невосприимчивыми к перевороту бита. Они выпустили
статью в Nature, где демонстрируют свой подход. Это еще не квантовый компьютер, но интересный шаг к нему. Сразу скажу, что идея совсем не новая, ее уже много-много лет разрабатывают, а фотонные квантовые компьютеры вообще на ней основаны по большей части. Но ее до сих пор не применяли для сверхпроводящих кубитов. Справедливости ради, Прескилл как раз и был отцом-основателем этого подхода, так что все логично.
Их идея в том, чтобы кодировать кубиты в состояниях гармонического осциллятора. Обычно состояние кубитов выбирается таким образом, чтобы у них было два энергетических уровня, |0⟩ и |1⟩, переход между которыми задается определенной энергией. Например, это может быть основное состояние (осциллятор не колеблется) и первое возбужденное состояние (в нем один квант энергии). Соответственно, достаточно внешнему шуму (например, тепловому фотону) с такой энергией прилететь в систему, чтобы состояние системы поменялось с 0 на 1. Идея Амазона с гармоническим осциллятором состоит в том, чтобы кодировать состояние кубита в большой амплитуде осциллятора. Т.е. берется осциллятор, накачивается энергией, так, что в нем много-много квантов энергии, и он колеблется в определенной фазе. И уровни |0⟩ и |1⟩ кодируются не в амплитуде осциллятора, а в его фазе. Т.е. есть два состояния, которые соответствуют большой амплитуде колебаний с разницой в фазе на 180 градусов: |α⟩ и |-α⟩, где |α| — амплитуда осциллятора. А затем для работы выбираются состояния суперпозиции |α⟩ + |-α⟩ и |α⟩ - |-α⟩, что позволяет фактически полностью защититься от ошибок с переворотом бита: так как уровни |α⟩ и |-α⟩ обладают одной энергией, если шум меняет |α⟩ на |-α⟩, состояние |α⟩ + |-α⟩ не изменяется!
Таким образом можно на порядок снизить количество физических кубитов, используемых в коррекции ошибок, избавившись от необходимости корректировать перевороты бита. Собственно, именно такую систему, которая защищена от переворота бита и корректирует потерю фазы, и продемонстрировал Amazon на их платформе, где кубиты кодируются в микроволновых осцилляторах (а сверхпроводящие кубиты используются для буфера). По-моему, очень круто, буду ждать развития событий!