Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Учёные из Microsoft разработали метод четырёхмерного (4D) геометрического кодирования, который, по их словам, способен уменьшить количество ошибок в квантовых компьютерах в 1000 раз.
Специалисты в области компьютерных наук заявляют, что им удалось раскрыть научную основу коррекции ошибок в квантовых компьютерах благодаря новым «4D-кодам».Что такое Эксафлопсные вычисления – На что способны Суперкомпьютеры нового поколения
Новые 4D-коды Microsoft
Разработанные Microsoft, новые коды были представлены в блог-посте, опубликованном 19 июня.
Утверждается, что они решают проблему отказоустойчивости (способности системы сохранять работоспособность даже при возникновении сбоев) — возможно, самого большого препятствия на пути развития квантовых вычислений.
Все компьютеры могут производить ошибки. В классических вычислениях коррекция ошибок достигается путём создания нескольких копий каждого бита передаваемой информации. Если один или несколько битов теряются или повреждаются, оставшиеся биты всё равно содержат исходную информацию.
Однако кубиты (квантовые биты, базовые единицы квантовой информации, способные находиться в нескольких состояниях одновременно) копировать нельзя. Их также невозможно измерить, не вызвав при этом так называемый коллапс (мгновенный переход кубита из суперпозиции в одно из классических состояний).
Это значительно усложняет обнаружение и исправление ошибок, которые в кубитах возникают гораздо чаще, чем в классических битах.
Типичная схема квантовой коррекции ошибок включает добавление в систему дополнительных, «физических» кубитов. Эти кубиты запутываются (входят в особую квантовую связь, при которой состояние одного кубита мгновенно влияет на состояние другого, независимо от расстояния) с «логическими» кубитами, которые напрямую несут квантовую информацию.
Вместо того чтобы измерять логические кубиты, вызывая их коллапс, учёные могут проверять наличие ошибок, измеряя запутанные с ними физические кубиты. Это позволяет вычислительному процессу продолжаться.
Обычно применяются 4D-коды в процессе квантовой коррекции ошибок, воссоздавая топологию (раздел математики, изучающий свойства фигур, которые не меняются при непрерывных деформациях, как растяжение или сжатие) поверхностей квантовой обработки на четырёхмерной решётке (математическая структура в 4D-пространстве).
Это создаёт самокорректирующуюся форму квантовой памяти. Проблема в том, что большинство современных методов коррекции ошибок либо трудномасштабируемы, либо требуют больших ресурсов, либо и то и другое.
Чем больше физических кубитов необходимо для обеспечения отказоустойчивости квантовой системы и чем больше проходов коррекции ошибок требуется, тем больше энергии уходит на вычисления.
«Новые четырёхмерные геометрические коды от Microsoft требуют очень мало физических кубитов на один логический кубит, могут проверять ошибки за один проход и демонстрируют тысячекратное снижение частоты ошибок», — заявила в блог-посте Криста Свор, технический специалист по передовым квантовым разработкам в Microsoft Quantum.
Новый поворот в квантовой коррекции ошибок
Результаты исследования, загруженные 18 июня в базу препринтов arXiv, основаны на добавлении буквального «скручивания» к 4D-геометрическому коду в форме тора, который используется для коррекции ошибок в некоторых квантовых системах.
Учёные разработали геометрический код, который можно «наложить» на систему для обнаружения ошибок с помощью четырёхмерной топографии. Этот 4D-код связывает пространство выборок (где выполняются коды коррекции) с операционным пространством (где кубиты содержат информацию) через квантовую запутанность.
Он работает в четырёх измерениях с использованием математического выражения, которое, по сути, позволяет точкам запутанности устанавливать связи по поверхности «тора».
Хотя 4D-коды и ранее использовались для создания самокорректирующейся квантовой памяти, их применение в этом случае считается новаторским, поскольку исследователи рассчитали «скручивание» в геометрии. Это позволяет тому же объёму кода покрывать то же системное пространство, используя меньшее количество запутанных физических кубитов.
«Скручивая» геометрию, наложение 4D-кода создаёт большее репрезентативное пространство, которое отражает большую часть квантового состояния используемых кубитов. Это позволяет исследователям обнаруживать ошибки в коде, не нарушая фактические квантовые процессы, происходящие внутри системы.
Исследователи запустили свой новый «скрученный» код на существующих квантовых компьютерах и экспериментально подтвердили теории в отдельной статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv 13 июня. Ни одна из статей ещё не прошла рецензирование.
«Универсальные отказоустойчивые квантовые компьютеры могут быть реализованы с использованием 4D-геометрических кодов, которые разработаны для эффективного создания всё большего числа логических кубитов при скромном количестве физических кубитов, обеспечивая при этом логические циклы с низкой глубиной и универсальную отказоустойчивость», — говорится в исследовании.
Более того, исследователи продемонстрировали новаторский метод «замены» атомов, используемых в качестве кубитов, в случае их потери.
В некоторых квантовых системах кубиты создаются путём захвата нейтральных атомов лазерными пинцетами (сфокусированные лазерные лучи, способные удерживать и перемещать микроскопические объекты) и их фиксации на месте. Во время вычислений эти атомы могут быть потеряны.
Исследователи также заявляют, что они смогли заменить потерянные атомы в середине цикла с помощью атомного луча, вводя новые атомы в массив, не прерывая вычислений — по их словам, это было сделано впервые.
Судя по полученным данным, новое семейство 4D-кодов может стать вторым прорывом в квантовой коррекции ошибок за последние несколько недель. 10 июня IBM сделала аналогичное заявление, объявив о разработке методов квантовой коррекции ошибок, которые приведут к созданию практически полезного квантового компьютера к 2029 году.
В то время как новый метод IBM использует подход к разработке «сверху вниз», опираясь на своё специализированное оборудование, подход Microsoft построен «снизу вверх» для решения проблемы отказоустойчивости с использованием метода, который может найти применение и за пределами оборудования и сценариев, на которых он был протестирован.
Поделись видео: