ТАСС, 14 июля. Специалисты Google использовали разработанный ими квантовый компьютер Sycamore для подтверждения работоспособности двух перспективных алгоритмов коррекции случайных ошибок, которые возникают в работе подобных устройств. Результаты эксперимента опубликовал научный журнал Nature.
Квантовыми компьютерами называют вычислительные устройства, в основе работы которых лежат принципы квантовой механики. В отличие от обычных компьютеров, в которых для передачи и обработки данных используются биты – единицы информации, которые содержат либо 1, либо 0, квантовые компьютеры оперируют кубитами – ячейками памяти и примитивными вычислительными модулями, которые могут хранить в себе одновременно и ноль, и единицу. Благодаря этому квантовые компьютеры могут обрабатывать большие объемы информации во много раз быстрее обычных – даже если это суперкомпьютеры с огромными вычислительными мощностями.
Полноценных квантовых компьютеров ученые пока не создали. Сейчас существуют только их прототипы – например, в 2017 году физик из Гарвардского университета Михаил Лукин рассказал о создании 51-кубитного прототипа, а специалисты Google во главе с Хармутом Нивеном в 2019-м году – о 53-кубитном прототипе под названием Sycamore. С его помощью ученые решили недоступную "обычным" компьютерам задачу, связанную с выработкой случайных чисел.
В работе кубитов из-за взаимодействия с объектами окружающего мира часто возникают ошибки. Многие исследователи предполагают, что по мере дальнейшего развития квантовых компьютеров нужно будет создавать системы, которые будут автоматически их находить и корректировать. Нивен и его коллеги задумались, можно ли использовать Sycamore, чтобы проверить алгоритмы квантовой коррекции ошибок, которые создают физики-теоретики.
До недавнего времени считалось, что создание систем коррекции ошибок станет возможным только после того, как в квантовых компьютерах будет до нескольких сотен кубитов. Однако недавно появилось несколько новых идей по кодированию информации в кубитах, которые значительно уменьшают минимально необходимое их количество.
Специалисты Google проверили работоспособность двух подобных алгоритмов. Первый из них пытается защитить данные от потери тем, что физические кубиты квантового компьютера объединяются в одномерные цепочки, состоящие из чередующихся ячеек памяти. Данные содержатся лишь в половине из них, а другие защищают их от потери. Второй подход реализуется похоже, только в его работе используются не одномерные цепи, а двумерные сетки из кубитов.
По словам ученых, чем больше в подобных структурах кубитов, тем меньше ошибок будет в работе компьютера. Именно этой особенностью алгоритмов коррекции ошибок ученые воспользовались, чтобы проверить их работоспособность. Они проследили, как менялось число ошибок в работе Sycamore при увеличении и уменьшении числа кубитов, объединенных в одномерную линию или двумерную сетку.
Оказалось, что оба подхода действительно оказались эффективны и в целом работали так, как и предсказывала теория. В частности, ученые обнаружили, что при увеличении числа взаимодействующих кубитов с 5 до 21 случайных ошибок в работе квантового компьютера становилось примерно в 100 раз меньше. Качество работы алгоритма сохранялось даже при длительной работе компьютера, после того, как алгоритм исправил много ошибок.
Нивен и его коллеги считают, что успех их работы открывает дорогу для разработки сложных вычислительных систем, стойких к ошибкам, а также для создания квантовых компьютеров, в работе которых будут задействованы сотни кубитов.