Η Google επιδεικνύει την καλλιέργεια μαγικών καταστάσεων στο Willow, μειώνοντας τα σφάλματα περίπου 40 φορές

Η Google Quantum AI αναφέρει ότι έδειξε πως η καλλιέργεια μαγικών καταστάσεων, μια τεχνική για την προετοιμασία ενός ειδικού είδους κβαντικού πόρου, λειτουργεί στον υπεραγώγιμο επεξεργαστή της Willow. Σύμφωνα με την εταιρεία, η μέθοδος μείωσε τα σφάλματα περίπου κατά έναν παράγοντα 40 σε σύγκριση με καταστάσεις που προετοιμάστηκαν χωρίς αυτήν. Η Google δήλωσε ότι η εργασία δημοσιεύθηκε στο Science, ανακοινώνοντάς την αυτή την εβδομάδα σε ανάρτηση ιστολογίου της ερευνήτριας Emma Rosenfeld και του μηχανικού κβαντικού λογισμικού Craig Gidney.

Οι κβαντικοί υπολογιστές με ανοχή σε σφάλματα χρειάζονται ένα καθολικό σύνολο πράξεων, και οι λεγόμενες πύλες non-Clifford μεταξύ αυτών αποτελούν σημαντικό κόστος σε πόρους για τους περισσότερους σχεδιασμούς διόρθωσης σφαλμάτων. Ένας συνηθισμένος τρόπος για να παρασχεθούν είναι να προετοιμαστούν πρώτα ειδικές καταστάσεις εισόδου, οι λεγόμενες μαγικές καταστάσεις, οι οποίες καταναλώνονται για την εκτέλεση αυτών των πράξεων. Κάθε μαγική κατάσταση μπορεί να καταναλωθεί μόνο μία φορά, και η παραγωγή τους με χαμηλό σφάλμα είναι δαπανηρή: η Google παραπέμπει σε εκτιμήσεις ότι έως και το 95% της δυναμικότητας ενός μηχανήματος θα μπορούσε να διατεθεί για την παραγωγή τους. Οι ερευνητές προέβλεπαν αυτό το σημείο συμφόρησης ήδη από το 2004, ανέφερε η εταιρεία.

Η καλλιέργεια προτάθηκε το 2024 από τον Gidney μαζί με τους συναδέλφους του στην Google Noah Shutty και Cody Jones, οι οποίοι βελτίωσαν μια ιδέα από την προηγούμενη βιβλιογραφία. Λειτουργεί ως φίλτρο: μια θορυβώδης κατάσταση εισάγεται σε μια μικρή περιοχή του τσιπ, στη συνέχεια ελέγχεται μέσω μιας σειράς συντονισμένων μετρήσεων, και κάθε προσπάθεια που αποκαλύπτει σφάλμα απορρίπτεται. Σύμφωνα με την περίληψη του preprint της ομάδας στο arXiv, το πείραμα έφτασε πιστότητα κατάστασης 0,9999(1) διατηρώντας το 8% των προσπαθειών, ενώ η ομάδα ανέπτυξε ένα πρωτόκολλο μέτρησης με ανοχή σε σφάλματα για να θέσει ένα όριο σε αυτή την πιστότητα. Η Google χαρακτηρίζει ρεκόρ τη λογική πιστότητα 99,99% για τις καταστάσεις T.

Οι ερευνητές μετέφεραν επίσης καλλιεργημένες καταστάσεις μεταξύ δύο σχημάτων διόρθωσης σφαλμάτων. Οι χρωματικοί κώδικες, μια νεότερη προσέγγιση, ταιριάζουν στην καλλιέργεια, ενώ οι επιφανειακοί κώδικες είναι η πιο καθιερωμένη μέθοδος. Η ομάδα μεταμόσχευσε καταστάσεις από έναν χρωματικό κώδικα απόστασης 3 σε έναν επιφανειακό κώδικα απόστασης 5, κάτι που, σύμφωνα με την Google, έδειξε ότι οι καθαρισμένες καταστάσεις μπορούν να επιβιώσουν από τη μεταβίβαση στο υλικό της. Η εταιρεία περιέγραψε επίσης μήνες αντιμετώπισης προβλημάτων, αφού τα πρώτα δεδομένα έμοιαζαν φυσικώς απίθανα: η Rosenfeld εντόπισε την αιτία σε θόρυβο του εργαστηρίου από ηλεκτρικό εξοπλισμό με ολίσθηση και από μεταβολές θερμοκρασίας, που υπονόμευαν τη συνήθη μέθοδο αξιολόγησης της ομάδας, γεγονός που οδήγησε σε πρόσθετο έλεγχο και σε μια νέα προσέγγιση αξιολόγησης στην οποία η καλλιέργεια χρησιμοποιείται για να μετρήσει τον εαυτό της.

Η Google παραδέχθηκε ότι η καλλιέργεια πρέπει ακόμη να επιδειχθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα προτού γίνει ρεαλιστική για πρακτικά μηχανήματα και ανέφερε ότι παραμένουν πολλές τεχνικές προκλήσεις. Το ποσοστό διατήρησης σημαίνει επίσης ότι οι περισσότερες προσπάθειες στο πείραμα απορρίφθηκαν. Ένα preprint της εργασίας είχε αναρτηθεί νωρίτερα στο arXiv. Η Google παρουσιάζει το αποτέλεσμα ως βήμα προς τον στόχο της να κατασκευάσει έναν χρήσιμο κβαντικό υπολογιστή με διόρθωση σφαλμάτων.