Google превратил «магию» в практику: прорыв в квантовых вычислениях снижает ошибки в 40 раз

Google Quantum AI устранил одно из главных узких мест на пути к практическим квантовым компьютерам — проблему дороговизны «магических состояний». Результаты экспериментов, опубликованные сегодня в журнале Science, показывают, что метод их «выращивания» работает на реальном железе и уменьшает ошибки примерно в 40 раз. С 2004 года известно, что для выполнения универсальных квантовых алгоритмов необходимы операции, требующие создания этих самых магических состояний.

Однако процесс их производства с коррекцией ошибок крайне ресурсоёмок; по некоторым оценкам, до 95% всех мощностей квантового компьютера может уходить именно на это. Вдобавок магическое состояние нельзя использовать повторно, что делает его дефицитным ресурсом. В прошлом году исследователи Google Крейг Гидни, Ной Шатти и Коди Джонс взяли за основу идею из научной литературы и доработали её.

Их подход, названный «выращиванием магических состояний» (magic state cultivation), действует как фильтр: на небольшой участок квантового чипа подаётся зашумлённое состояние, а затем серия точно скоординированных измерений отсеивает бракованные попытки, оставляя исключительно чистое состояние. Перенос теории на «кремний» потребовал множества технических ухищрений. Например, при первых тестах протокола данные, которые видела научный сотрудник Google Quantum AI Эмма Розенфельд, выглядели так, будто нарушают законы физики.

После нескольких месяцев моделирования и обсуждений с коллегами выяснилось, что виной тому неверное предположение, заложенное в стандартную методику измерений. Специфический шум в лаборатории — дрейф электрооборудования и колебания температуры — искажал бенчмарк. Для исправления ситуации пришлось менять и теорию, и инженерные подходы.

Команда добавила дополнительные управляющие воздействия, чтобы уменьшить влияние паразитного шума, а также изобрела новую методику тестирования, которая использовала само выращивание как инструмент для измерения собственной эффективности. Это позволило вывести квантовую метрологию на новый уровень. В итоге протокол, запущенный на процессоре Willow, дал сорокакратное снижение ошибок по сравнению с некультивированными состояниями.

Для так называемых T-состояний удалось достичь рекордной логической точности 99,99%. Это первая экспериментальная демонстрация того, как можно эффективно генерировать критически важные магические состояния на настоящем оборудовании. Вторым важным итогом работы стала проверка совместимости метода с архитектурой квантового компьютера Google.

Учёные научились переключаться между двумя типами квантовой коррекции ошибок — «цветовыми кодами», удобными для выращивания, и «поверхностными кодами», которые лучше изучены. Протокол «прививки» состояний, описанный в теоретической работе 2024 года, показал, что очищенные состояния можно без потерь перемещать внутри чипа — с дистанции-3 на цветовом коде на дистанцию-5 поверхностного кода. Конечно, выращивание магических состояний ещё предстоит продемонстрировать на более крупных масштабах, чтобы сделать его по-настоящему пригодным для практических вычислений.

Технических трудностей остаётся много. Однако достижение превращает важную теоретическую концепцию в экспериментально подтверждённую реальность и приближает цель Google Quantum AI — построить полезный, отказоустойчивый квантовый компьютер, способный решать задачи, которые классическим машинам не под силу.