Восприимчивость к помехам — это самое слабое место квантовых компьютеров. Для защиты от ошибок квантовых вычислений нельзя применить классические решения. На помощь приходят либо запредельная избыточность, либо изощрённые архитектуры. Amazon сделала ставку на второе, обещая проложить к путь к практичным квантовым платформам.
В новой работе исследователи компании Amazon продемонстрировали сочетание отказоустойчивого оборудования и контура для исправления ошибок. По крайней мере, кубиты Amazon не требуют новой физики, как в случае новой устойчивой к ошибкам квантовой архитектуры Microsoft на майорановских фермионах. Проще говоря, Amazon использует проверенные временем решения в оригинальном исполнении, а у такого подхода есть понятные перспективы.
Квантовая вычислительная платформа Amazon для повышения стабильности квантовой информации — квантовых состояний кубитов — сочетает в себе два разных типа аппаратных кубитов. Идея заключается в том, что один тип кубитов устойчив к одному из типов ошибок, а второй можно использовать для реализации кода исправления остальных ошибок, который выявляет возникающие проблемы в вычислительной (алгоритмической) цепи. Демонстрация Amazon не могла похвастаться масштабом, однако на базовом уровне показала потенциальную правильность подхода.
В обычном компьютере возникает только один тип ошибок — это переключение бита, когда под воздействием обстоятельств 0 может стать 1 и наоборот. Как и в большинстве случаев, связанных с квантовыми вычислениями, с кубитами всё значительно сложнее. Поскольку они содержат не двоичные значения, а вероятности, то в случае ошибочного переключения кубита возвращение его истинного состояния будет представлять определённую сложность.
Но переключение битов — не единственная проблема, которая может возникнуть. Кубиты также могут страдать от так называемых ошибок перестановки фаз. В классических компьютерах им нет аналогов, но они также будут препятствовать нормальной работе квантовых компьютеров.
Ещё в 2021 году сотрудники Amazon показали, что могут быть созданы кубиты, которые чрезвычайно устойчивы к одному типу ошибок — к переключению бита. В новой работе эта концепция подтверждается и, по сути, становится базовой. Для этого используются так называемые кошачьи кубиты (Cat qubit). Название кубитам дано в честь кошки Шрёдингера, которая находится в состоянии суперпозиции.
По факту это групповое квантовое состояние, размазанное по нескольким элементарным частицам, в частности, по фотонам. Ошибочное переключение одного фотона в группе не влияет на квантовое состояние группы. Такой кубит условно не подвержен ошибкам переключения бита и о них как бы можно забыть, а значит архитектура вычислителя априори будет проще. Исправлять нужно будет уже не два, а только один тип ошибок, связанный с переключением фазы. Правда, чем больше фотонов в группе, тем выше вероятность ошибочного переключения фазы и при масштабировании платформы с этим тоже придётся что-то делать.
Именно из-за этих фазовых переворотов был введен второй набор кубитов, называемых трансмонами. Трансмоны — это широко используемый тип кубита, основанный на петле из сверхпроводящего провода, соединенной с микроволновым резонатором, и используемый такими компаниями, как IBM и Google. Сверхпроводящие трансмоны были использованы для связи кошачьих кубитов, что позволило команде создать логический кубит с исправлением ошибок, используя простой код исправления ошибок, называемый кодом повторения.
На представленной выше условной схеме каждый из кошачьих кубитов связан с соседним трансмоном. Это позволяет трансмонам отслеживать происходящее в кошачьих кубитах с помощью так называемых слабых измерений. Такие измерения не разрушают квантовое состояние, как при полном измерении, но позволяют обнаруживать изменения в соседних кошачьих кубитах и извлекать информацию, необходимую для исправления ошибок, если такие возникают.
Таким образом, сочетание этих двух методов означает, что почти все возникающие ошибки являются ошибками сдвига фаз, которые обнаруживаются и исправляются, ведь ошибок переключения бита в системе не должно возникать по определению, хотя на самом деле это не так. И всё же, в случае необходимости исправлять два типа ошибок одновременно, что было распространено до сих пор, для реализации каждого логического кубита требовалось очень много физических кубитов. В случае схемы Amazon предполагается, что исправлять придётся всего один тип ошибок, и на каждый логический кубит пойдёт ощутимо меньше физических кубитов.
В проведённом исследовании Amazon показала, что при сравнении цепочки из трёх кошачьих кубитов и двух трансмонов с цепочкой из пяти кошачьих кубитов и четырёх трансмонов частота ошибок уменьшилась при усложнении архитектуры. Для типичных квантовых систем обычно всё происходит наоборот — чем больше кубитов, тем выше частота появления ошибок, по крайней мере на больших масштабах. Тем самым Amazon заявляет о преимуществах своего подхода, который позволит наращивать число физических и логических кубитов и сдерживать вероятность нарастания ошибок вычислений.
На самом деле всё намного сложнее. Сами трансмоны подвержены обоим типам ошибок и сбой одного из них обрушит всё вычисление. Также кошачьи кубиты не могут похвастаться полным отсутствием ошибок переключения бита, и в случае появления такой ошибки вычисления также не будут иметь смысла. Однако предложенная Amazon идея имеет потенциал и право на дальнейшую разработку.