Работа над ошибками: новый алгоритм поможет квантовым компьютерам стать повседневностью

Без системы коррекции ошибок не может обойтись ни один компьютер. Но для квантовых компьютеров эти технологии только разрабатываются. Как разобраться в хаосе многочисленных технических решений и выяснить, насколько перспективно каждое из них?

В статье, опубликованной в журнале Physical Review X, международная группа учёных во главе с Саймоном Бенджамином (Simon Benjamin) из Оксфордского университета даёт ответ на этот вопрос. Авторы разработали универсальный алгоритм, который подходит для любой конкретной технологии. С его помощью они оценили современные квантовые компьютеры на ионных ловушках и пришли к выводу, что система коррекции ошибок там очень перспективная.

Для того чтобы квантовые компьютеры вышли из стадии экспериментальных разработок и стали наконец серийной продукцией, нужно решить как минимум две задачи. Во-первых, увеличить число кубитов. Во-вторых, решить проблему ошибок при вычислениях. "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, откуда такие ошибки квантового берутся и какими они бывают.

В компьютерных технологиях помехоустойчивое кодирование, протоколы коррекции ошибок и так далее – большая и развитая область. Но общий принцип довольно прост: нужно обеспечить избыточность информации.

Компактность или надёжность? Это давняя дилемма в технологии хранения и обработки информации. Поясним это на бытовом примере. Число 12 можно записать цифрами ("12") или буквами ("двенадцать"). В первом случае нужно только два символа, а во втором – целых десять. Поэтому первый экономит память и вычислительные ресурсы нашего мозга. С другой стороны, из слова "двенадцать" можно убрать любые два символа, и информацию ещё можно будет восстановить: понятно же, что ".венадцат." или "двен.дц.ть" изначально было словом "двенадцать", а не, скажем, "четырнадцать". А вот если убрать два символа из записи "12", никакой информации не останется вообще.

Все знают, что в классических компьютерах информация хранится не в виде букв и цифр, а в виде битов (нулей и единиц). Но принцип тот же: тратя на запись данных больше битов, чем минимально необходимо, разработчики как бы отмеряют информацию "с запасом", чтобы, если часть её потеряется, по остаткам можно было восстановить исходные данные.

К квантовым компьютерам теоретически нужно применять тот же подход. Но практическая проработка идеи наталкивается на огромные сложности. Квантовые компьютеры построены на иных принципах, чем их привычные собратья. Это не позволяет просто перенести на них наработанные технологические решения.

"Мы по-прежнему не в состоянии выполнять сложные вычисления, потому что внешние шумы и ошибки приводят к тому, что система выходит из-под контроля", – цитирует слова одного из авторов исследования Райнера Блатта (Rainer Blatt) пресс-релиз.

К слову, одна из трудностей, связанных с любой системой коррекции: исправляя старые ошибки, она может добавлять новые. Но ведь техникам важно, чтобы окончательный "бухгалтерский баланс" был в пользу системы.

В своей новой работе авторы предложили алгоритм, который позволяет оценивать, насколько успешно та или иная система квантовой коррекции ошибок справляется со своей задачей.

Для иллюстрации они использовали неизменных персонажей книг по криптографии Алису и Боба. Как водится, девушка пересылает своему другу сообщение. Кроме того, есть "промежуточная станция" по имени Игорь, который выполняет коррекцию ошибок.

Предложенная авторами схема выглядит таким образом:

1. Кубитное состояние выбирается случайным образом.
2. Алиса кодирует его с помощью нескольких физических кубитов.
3. Эти физические кубиты подвергаются воздействию помех в течение времени t₁.
4. Игорь выполняет коррекцию ошибок.
5. Физические кубиты вновь подвергаются воздействию помех в течение времени t₂.
6. Боб анализирует получившиеся кубиты с помощью любого физически возможного процесса и делает предположение о том, в каком состоянии они, скорее всего, находились, когда он их получил.

Вероятность того, что Боб угадает правильно, и будет оценкой качества коррекции ошибок "по гамбургскому счёту".

Это описание выглядит очень абстрактным, но это естественное следствие того, что оно должно быть применимо к любому типу квантового компьютера и любой системе коррекции ошибок. Поэтому оно отвечает лишь на вопрос, что надо делать. Ответ на вопрос, как именно это сделать, зависит от конкретных технологических решений.

Авторы применили свою методологию к одной из перспективных реализаций квантового компьютера, основанной на ионных ловушках. Напомним, что квантовый компьютер отличается от классического тем, что квантовый бит (кубит) может находиться не только в состояниях "0" или "1", но и в квантовой суперпозиции состояний.

В качестве физической реализации таких кубитов обычно используются ионы, состоянием которых управляют с помощью лазера . Эту технологию и подвергли своему строгому суду исследователи, конкретизировав ещё несколько технических деталей, подробное описание которых можно найти в научной статье. В частности, им пришлось выполнить масштабное численное моделирование.

В итоге авторы обнаружили, что новое поколение ионных ловушек может обеспечить прекрасную коррекцию ошибок. Точная синхронизация процессов позволяет параллельно выполнять операции в разных областях, предназначенных для хранения и обработки данных. Используя ионы двух разных видов, учёные могут использовать один вид для хранения данных, а другой – для контроля и коррекции ошибок.

"Наши численные результаты ясно показывают, что современные технологии с ионными ловушками хорошо подходят в качестве платформ для построения крупномасштабных отказоустойчивых квантовых компьютеров", – подводит итог Бенджамин.

Напомним, что ранее мы писали о технологии скоростного квантового шифрования, которая защитит данные от мошенников, и о первом квантовом компьютере с возможностью перепрограммирования.