Microsoft розробила схему квантової корекції помилок

Команда Microsoft Azure Quantum у четвер оголосила про розробку плану впровадження корекції помилок на квантових комп'ютерах. Хоча компанія розвиває власні апаратні рішення, команда Azure є постачальником платформи, яка надає доступ до кількох різних типів апаратних кубітів. Тому вона обрала схему, придатну для кількох різних технологій квантових обчислень, зокрема виключивши власну.

Компанія оцінює, що система, на якій вона зупинилася, може взяти апаратні кубіти з частотою помилок приблизно 1 на 1000 і використати їх для створення логічних кубітів, де помилки становлять 1 на мільйон. Хоча компанія описує схему в термінах математичних доказів та моделювань, вона ще не показала, що це працює на реальному обладнанні. Але один з її партнерів, Atom Computing, супроводжує оголошення описом того, як їхня машина здатна виконувати всі операції, які будуть потрібні.

Існують подібності та відмінності між тим, про що говорить компанія сьогодні, та недавнім оновленням дорожньої карти IBM, яка описала інший шлях до стійких до помилок квантових обчислень. У випадку IBM вона створює як програмний стек, який виконуватиме корекцію помилок, так і обладнання, необхідне для його реалізації. Вона використовує апаратне забезпечення на основі мікросхем, з з'єднаннями між кубітами, опосередкованими проводкою, яка прокладається під час виготовлення мікросхеми.

Оскільки схеми корекції помилок вимагають дуже специфічного розташування з'єднань між кубітами, коли IBM вирішує схему квантової корекції помилок, вона може проектувати мікросхеми з проводкою, необхідною для реалізації цієї схеми. Microsoft Azure, навпаки, надає своїм користувачам доступ до обладнання від кількох різних компаній квантових обчислень, кожна з яких базується на різних технологіях.

Деякі з них, як Rigetti та власний запланований процесор Microsoft, подібні до IBM тим, що мають фіксоване розташування під час виготовлення, і тому можуть обробляти лише коди, сумісні з їхнім розташуванням проводки. Але інші, такі як ті, що надаються Quantinuum та Atom Computing, зберігають свої кубіти в атомах, які можна переміщувати та з'єднувати довільними способами. Ці довільні з'єднання дозволяють розглядати дуже різні типи схем корекції помилок.

Це можна зрозуміти, використовуючи аналогію з геометрією. Мікросхема схожа на площину, де найлегше формувати з'єднання, необхідні для корекції помилок між сусідніми кубітами; довші з'єднання можливі, але не такі легкі. Речі як захоплені іони та атоми забезпечують багатовимірну систему, де можливі набагато складніші шаблони з'єднань.

Оголошення Microsoft зосереджене на типах процесорів, які можуть формувати складніші, довільні з'єднання. І компанія повністю використовує це, будуючи систему корекції помилок із з'єднаннями, які утворюють чотиривимірний гіперкуб. «Ми дійсно зосередилися на чотиривимірних кодах через їхню придатність до поточних та найближчих апаратних конструкцій», — сказала Ars Кріста Свор з Microsoft.

Код описує не лише розташування кубітів та їхні з'єднання, але й призначення кожного апаратного кубіта. Деякі з них використовуються для зберігання значення логічних кубітів, що зберігаються в одному блоці коду. Інші використовуються для так званих «слабких вимірювань». Ці вимірювання розповідають нам щось про стан тих, які зберігають дані — недостатньо, щоб знати їхні значення, але достатньо, щоб сказати, чи щось змінилося.

Система корекції помилок Microsoft описана в препринті, який компанія нещодавно випустила. Вона включає сімейство пов'язаних геометрій, кожна з яких забезпечує різні ступені корекції помилок, залежно від того, скільки одночасних помилок вони можуть ідентифікувати та виправити. Всі вони перетворюють колекції фізичних кубітів на шість логічних кубітів, які можуть бути скориговані на помилки.

Чим більше апаратних кубітів ви додаєте для розміщення цих шести логічних кубітів, тим більший захист від помилок отримує кожен з них. Це стає важливим, оскільки деякі складніші алгоритми потребуватимуть більше, ніж захист від помилок один на мільйон, який, за словами Свор, забезпечить улюблена версія Microsoft. Ця улюблена версія називається версією Адамара, яка об'єднує 96 апаратних кубітів для формування шести логічних кубітів і має відстань вісім.

Сама по собі геометрія не особливо захоплююча. Але Microsoft стверджує, що це сімейство кодів корекції помилок має кілька значних переваг. «Усі ці коди в цій родині є тим, що ми називаємо одиночним пострілом», — сказала Свор. «І це означає, що з дуже низькою постійною кількістю раундів отримання інформації про шум можна декодувати та виправити помилки. Це не стосується всіх кодів.»

Обмеження кількості вимірювань, необхідних для виявлення помилок, важливе. По-перше, самі вимірювання можуть створювати помилки, тому менша кількість робить систему більш надійною. Крім того, в таких речах, як комп'ютери нейтральних атомів, атоми повинні переміщуватися в конкретні місця, де відбуваються вимірювання, і вимірювання нагрівають їх, тому вони не можуть бути повторно використані до охолодження.

Друга перевага цієї схеми полягає в тому, що ви можете виконувати всі операції, необхідні для квантових обчислень, на логічних кубітах, які розміщують ці схеми. Як і в звичайних комп'ютерах, усі складні обчислення, що виконуються на квантовому комп'ютері, складаються з невеликої кількості простих логічних операцій. Але не кожна можлива логічна операція добре працює з будь-якою схемою корекції помилок.

Microsoft вважає, що вона визначила схему корекції помилок, яка є досить компактною, може бути ефективно реалізована на обладнанні, що зберігає кубіти у фотонах, атомах або захоплених іонах, і забезпечує універсальні обчислення. Однак те, чого вона не зробила, це показати, що це дійсно працює. І це тому, що у неї просто немає обладнання прямо зараз.

Azure пропонує машини захоплених іонів від IonQ та Qantinuum, але вони досягають максимум 56 кубітів — значно нижче 96, необхідних для їхньої улюбленої версії цих чотиривимірних кодів. Найбільша, до якої вона має доступ, це 100-кубітна машина від компанії PASQAL, яка ледве відповідає 96 кубітам, не залишаючи місця для помилок.

Замість цього здається, що вона чекає на іншого партнера, Atom Computing, щоб випустити свою машину наступного покоління, яку вона проектує в партнерстві з Microsoft. «Це перше покоління, яке ми будуємо разом між Atom Computing та Microsoft, включатиме найсучасніші квантові можливості, матиме 1200 фізичних кубітів», — сказала Свор. «А наступне оновлення цієї машини матиме понад 10000. І тоді ви зможете перейти до понад ста логічних кубітів з глибшими та надійнішими обчисленнями.»