Quantinuum демонстрирует масштабируемость квантовой коррекции ошибок далеко за пределами точки безубыточности

Image: Ars Technica · Source

Последний квантовый процессор с захваченными ионами от Quantinuum значительно улучшает показатели ошибок логических кубитов, достигая десятикратного снижения с каждым увеличением расстояния кода коррекции ошибок, что знаменует собой значительный прогресс в производительности квантовой коррекции ошибок.

Квантовые вычисления сталкиваются с фундаментальной проблемой: кубиты подвержены ошибкам из-за шума окружающей среды и несовершенного управления. Для надежного выполнения квантовых алгоритмов эти ошибки необходимо обнаруживать и исправлять с помощью логических кубитов, которые связывают несколько физических кубитов через коды коррекции ошибок. Масштабирование таких логических кубитов для снижения уровня ошибок исторически имело ограниченный успех, поскольку добавление аппаратных кубитов увеличивает сложность и может вводить дополнительные ошибки, препятствуя улучшению производительности.

Недавно Quantinuum, лидер в области квантовых вычислений с захваченными ионами, представил новые результаты своего процессора Helios, которые знаменуют собой значительный прорыв в масштабировании квантовой коррекции ошибок. В отличие от предыдущих систем, которые демонстрировали лишь умеренное улучшение — уровни ошибок снижались примерно вдвое при увеличении размера кода — установка Quantinuum достигла примерно десятикратного снижения ошибки логического кубита с каждым увеличением расстояния кода коррекции ошибок.

Система Helios использует ионы, захваченные и управляемые с помощью электрических полей и лазеров, что позволяет запутывать любые две ионы, поддерживая универсальные коды коррекции ошибок. Компания реализовала цветовые коды с расстояниями 3, 5 и 7, соответствующими постепенно увеличивающимся группам аппаратных кубитов (соответственно 13, 37 и 73 кубита). Тестирование этих кодов для квантовой памяти, где логический кубит сохраняет свое состояние, показало снижение уровня ошибок с примерно 5×10⁻⁴ при расстоянии 3 до 5×10⁻⁶ при расстоянии 7, что указывает на надежное подавление ошибок.

Ключом к этой производительности стала инновация Quantinuum в управлении ошибками утечки — когда кубиты переходят в непреднамеренные энергетические состояния — посредством применения целенаправленных лазерных импульсов, возвращающих кубиты в вычислительные состояния, что снижает уровень ошибок утечки более чем в шесть раз. Кроме того, их программное обеспечение динамически меняет местами утекшие кубиты данных с измерительными кубитами, обеспечивая эффективные циклы коррекции ошибок.

Команда также продемонстрировала способность системы выполнять двухкубитные логические гейты внутри логических кубитов, что является более требовательной операцией, чем хранение квантовой информации. Хотя код с расстоянием 3 показал небольшое улучшение ошибок гейтов, код с расстоянием 5 значительно их снизил, подчеркивая способность аппаратуры поддерживать низкие логические уровни ошибок во время вычислений.

Хотя эти достижения обнадеживают, в системе в настоящее время поддерживается только один логический кубит с расстоянием 7 одновременно, и самые низкие уровни ошибок все еще превышают пороги, необходимые для сложных квантовых алгоритмов. Тем не менее, тенденции масштабирования указывают на то, что дальнейшие аппаратные улучшения могут привести к значительному повышению надежности логических кубитов.

Прогресс Quantinuum свидетельствует о том, что системы с захваченными ионами вскоре могут достичь уровней производительности коррекции ошибок, необходимых для практических масштабных квантовых вычислений, при условии, что компания сможет продолжать увеличивать количество кубитов и поддерживать или улучшать показатели аппаратных ошибок. Это контрастирует с другими платформами квантовых вычислений, которым одновременно нужно решать задачи снижения ошибок, увеличения числа кубитов и интеграции системы. Результаты Helios представляют собой значительный шаг вперед в поисках квантовых компьютеров с устойчивостью к ошибкам.