Google ogranicza koszt błędów w komputerach kwantowych. Procesor Willow z nową metodą

Obliczenia kwantowe oferują możliwości niedostępne klasycznym maszynom, jednak ich fundamentalną bolączką jest ogromna podatność na zakłócenia – pojedynczy drobny błąd potrafi zepsuć cały wynik. Zespół Google pokazał właśnie, że jeden z najbardziej kosztownych etapów pracy komputerów kwantowych można usprawnić bardziej, niż dotąd zakładano. Na procesorze Willow sprawdzono technikę, dzięki której liczba błędów przy przygotowywaniu tzw. stanów magicznych spadła aż 40 razy, a uzyskana wierność sięgnęła około 99,99 proc.

Dlaczego same obliczenia kwantowe to za mało

Klasyczny komputer operuje na bitach o wartości 0 albo 1. W maszynach kwantowych rolę nośnika informacji pełnią kubity, które dzięki superpozycji mogą przyjmować oba stany jednocześnie. To właśnie odpowiednio zaplanowane operacje na takich stanach otwierają drogę do obliczeń niewykonalnych dla klasycznych układów przy podobnej skali zasobów. Problem w tym, że kubity tracą swoje właściwości przy najmniejszym zakłóceniu - wystarczy szum z otoczenia, niedoskonałość układu sterującego czy błąd pomiaru. Im bardziej złożone zadanie, tym wyższe ryzyko porażki.

Z tego powodu badacze sięgają po kwantową korekcję błędów. Informacja nie trafia wtedy do pojedynczego kubitu fizycznego, lecz zostaje rozproszona na większy zestaw. W ten sposób powstaje tzw. kubit logiczny, którego kondycję można na bieżąco monitorować za pomocą dodatkowych pomiarów wyłapujących nieprawidłowości.

Procesor Willow był już wcześniej opisywany - w 2024 roku wykazał, że zwiększanie puli fizycznych kubitów faktycznie przekłada się na skuteczniejszą korekcję błędów. To był istotny postęp, choć nie zamykał wszystkich problemów stojących przed tą technologią.

Stany magiczne kosztują najwięcej

Obecnie jednym z najtrudniejszych zadań jest realizacja pewnej specyficznej grupy operacji kwantowych, bez których nie powstanie uniwersalny komputer zdolny obsłużyć dowolny algorytm kwantowy.

Operacje te wymagają tzw. stanów magicznych (magic states) - nazwa nie ma nic wspólnego z magią, lecz opisuje specjalnie przygotowane stany kwantowe umożliwiające wykonanie czynności, których nie da się przeprowadzić wprost w systemie zabezpieczonym korekcją błędów. Największą trudność sprawia samo ich wytworzenie, bo muszą być wyjątkowo precyzyjne, a stosowana dotąd metoda oczyszczania, zwana destylacją, pochłania mnóstwo dodatkowych kubitów i operacji.

Google przytacza szacunki, według których w niektórych projektach nawet 95 proc. zasobów przyszłego komputera kwantowego mogłoby być pochłaniane właśnie przez produkcję takich stanów. Co gorsza, każdy wytworzony stan nadaje się do jednorazowego użytku. Oznacza to, że znaczna część maszyny nie realizowałaby właściwego programu, tylko przygotowywała surowiec potrzebny do jego uruchomienia.

Nowa metoda Google zmniejszyła błędy 40-krotnie

Opracowane podejście nazwano magic state cultivation, czyli dosłownie hodowanie lub udoskonalanie stanów magicznych. Zamiast oczyszczać wiele niedoskonałych stanów naraz, naukowcy budują jeden i stopniowo podnoszą jego jakość w obrębie chronionego kubitu logicznego.

Proces zaczyna się od rozłożenia informacji na grupę fizycznych kubitów. Następnie dodatkowe elementy układu wykonują serię pomiarów mających wyłapać błędy bez zniszczenia przechowywanego stanu. Jeśli kontrola wykryje problem, cała próba jest odrzucana. Dopiero gdy wszystkie testy zakończą się powodzeniem, gotowy stan trafia do dalszych operacji.

Badanie opublikowane w czasopiśmie Science przez zespół Google Quantum AI pod kierownictwem Emmy Rosenfeld potwierdza, że metoda sprawdza się na realnym sprzęcie. Eksperyment przeprowadzono na nadprzewodzącym procesorze Willow. W porównaniu ze standardowym sposobem przygotowywania stanu zanotowano około 40-krotny spadek liczby błędów, a uzyskane stany osiągnęły wierność na poziomie około 99,99 proc. - bardzo bliską teoretycznemu ideałowi.

Większość prób i tak trafia do kosza

Wynik robi wrażenie, ale nie oznacza, że Google opanował eliminację 99,99 proc. wszystkich błędów w komputerze kwantowym. Ta wartość odnosi się wyłącznie do jakości konkretnego typu przygotowanego stanu, a nie do niezawodności całej maszyny.

W dodatku podczas najbardziej wymagającej serii pomiarów przez komplet kontroli przeszło zaledwie około 8 proc. prób - reszta była odrzucana, a cały proces trzeba było powtarzać od zera. To poważne ograniczenie, bo przyszłe komputery kwantowe będą potrzebować ogromnych ilości takich stanów. Sama wysoka precyzja nie wystarczy, jeśli ich wytwarzanie okaże się zbyt powolne albo zbyt kosztowne.

Naukowcy poradzili sobie też z dodatkową trudnością, czyli pomiarem tak subtelnych błędów. Opracowali w tym celu technikę o nazwie kickback tomography, pozwalającą ocenić jakość stanu przy dużo mniejszej liczbie pomiarów niż metody tradycyjne. Udało się ponadto przenieść gotowy stan między dwoma różnymi rodzajami kodów korekcji błędów, co ma znaczenie, bo docelowy komputer musi nie tylko wytwarzać precyzyjne stany, lecz również je przechowywać i wykorzystywać w trakcie właściwych obliczeń.

To krok naprzód, ale praktyczny komputer wciąż jest daleko

Znaczenie tych wyników polega przede wszystkim na eksperymentalnym potwierdzeniu koncepcji, która wcześniej istniała głównie w warstwie teoretycznej. Google prezentował już wcześniej eksperyment Quantum Echoes, demonstrujący możliwości procesora Willow w szczególnych obliczeniach. Tym razem chodziło o co innego - o przygotowanie wiarygodnych zasobów niezbędnych do uruchamiania znacznie bardziej skomplikowanych algorytmów.

Przed zespołem stoi teraz najtrudniejsze wyzwanie, czyli skalowanie metody do znacznie większych układów. Trzeba będzie sprawdzić, czy podobna precyzja utrzyma się przy jednoczesnym wytwarzaniu wielu stanów naraz i jak przełoży się to na realne zapotrzebowanie na kubity.

Google nie zbudował więc komputera kwantowego, który dzięki tej metodzie rozwiązuje praktyczne zadania szybciej od maszyn klasycznych. Udowodnił jednak, że jedna z proponowanych odpowiedzi na trudny problem działa poza symulacją komputerową - a to warunek konieczny, by duże komputery kwantowe mogły kiedyś stać się realnie użyteczne.