Google Quantum AI в 40 раз снизила ошибки квантовых вычислений с помощью «магических состояний»

Что такое магические состояния и почему они важны

Кубиты, в отличие от классических битов, могут находиться в суперпозиции состояний 0 и 1 одновременно. Это даёт квантовым компьютерам огромное преимущество в вычислениях, но сами состояния крайне хрупки: малейшее воздействие окружения разрушает их. Чтобы бороться с ошибками, применяют квантовую коррекцию: один «логический» кубит собирают из множества физических. Простые операции при такой защите выполняются легко, однако для полноценных квантовых алгоритмов нужны и более сложные операции, которые трудно реализовать без потери защиты.

Решением становятся «магические состояния» — заранее подготовленные квантовые ресурсы, которые «подкладывают» в вычисление, чтобы выполнить сложную операцию и сохранить коррекцию ошибок. Без них отказоустойчивые квантовые вычисления невозможны.

Проблема дистилляции и новый подход

До сих пор основным способом получения магических состояний считалась дистилляция: из большой партии неточных заготовок отбирают несколько качественных. Этот метод требует значительных ресурсов и оборудования. В 2024 году теоретик Крейг Гидни и его коллеги предложили принципиально иной подход — «выращивание магических состояний» (magic state cultivation). Вместо переработки целой партии система постепенно наращивает размер и надёжность одного состояния. На каждом этапе его проверяют, а неудачную попытку сбрасывают и начинают заново. Этот процесс сравнивают с тем, как садовник ухаживает за единственным растением, подрезая и направляя его рост.

Эксперимент на процессоре Willow

Команда Google Quantum AI впервые показала работу метода в реальном эксперименте на квантовом процессоре Willow. Точность подготовки магического состояния достигла 99,99%, а количество ошибок удалось снизить в 40 раз по сравнению с предыдущими результатами. Статья опубликована в журнале Science. Ведущими авторами выступили физик Эмма Розенфельд и теоретик Крейг Гидни, а всего в списке соавторов почти триста человек.

Почему это прорыв

Снижение ошибок в 40 раз — критически важный шаг к созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров. Чем точнее подготовка магических состояний, тем сложнее алгоритмы можно выполнять без потери квантовой информации. Метод выращивания также обещает существенную экономию ресурсов по сравнению с дистилляцией, что упрощает масштабирование систем.

Что дальше

Хотя результат впечатляет, до практических квантовых вычислений ещё далеко. Предстоит масштабировать метод на большее число кубитов, интегрировать его в полные алгоритмы и повышать стабильность. Тем не менее эксперимент на Willow доказывает: теоретическая идея 2024 года работает на реальном оборудовании. Это вселяет надежду, что квантовые компьютеры станут ближе к решению задач, недоступных классическим машинам.