Google מדגימה טיפוח מצבי קסם על Willow ומפחיתה את השגיאות בערך פי 40

Google Quantum AI מסרה כי הראתה שטיפוח מצבי קסם (magic state cultivation), טכניקה להכנת סוג מיוחד של משאב קוונטי, פועל על המעבד העל-מוליך Willow שלה. לדברי החברה, השיטה הפחיתה את השגיאות בערך פי 40 בהשוואה למצבים שהוכנו בלעדיה. Google אמרה שהמחקר פורסם בכתב העת Science, והודיעה עליו השבוע בפוסט בבלוג מאת מדענית המחקר Emma Rosenfeld ומהנדס התוכנה הקוונטית Craig Gidney.

מחשבים קוונטיים עמידים לתקלות זקוקים לסט אוניברסלי של פעולות, ומבין אלה השערים המכונים non-Clifford מהווים עלות משאבים משמעותית ברוב תכנוני תיקון השגיאות. דרך נפוצה אחת לספק אותם היא להכין תחילה מצבי קלט מיוחדים, המכונים מצבי קסם, ולצרוך אותם לביצוע פעולות אלה. כל מצב קסם ניתן לצריכה פעם אחת בלבד, והפקתם ברמת שגיאה נמוכה יקרה: Google מצביעה על הערכות שלפיהן עד 95% מהקיבולת של מכונה עשויים להיות מוקדשים לייצורם. לדברי החברה, חוקרים צפו את צוואר הבקבוק הזה כבר מאז 2004.

הטיפוח הוצע ב-2024 על ידי Gidney יחד עם עמיתיו ב-Google, Noah Shutty ו-Cody Jones, שחידדו רעיון מהספרות המוקדמת יותר. הוא פועל כמסנן: מצב רועש מוזרק לאזור קטן בשבב, לאחר מכן נבדק באמצעות רצף של מדידות מתואמות, וכל ניסיון שחושף שגיאה מושלך. לפי התקציר של הטיוטה המקדימה של הצוות ב-arXiv, הניסוי הגיע לנאמנות מצב של 0.9999(1) תוך שמירה על 8% מהניסיונות, והצוות פיתח פרוטוקול מדידה עמיד לתקלות כדי לתחום את הנאמנות הזו. Google מתארת את הנאמנות הלוגית של 99.99% עבור מצבי ה-T שלה כשיא.

החוקרים גם העבירו מצבים מטופחים בין שתי שיטות לתיקון שגיאות. קודי צבע (color codes), גישה חדשה יותר, מתאימים לטיפוח, בעוד שקודי משטח (surface codes) הם השיטה המבוססת יותר. הצוות השתיל מצבים מקוד צבע במרחק 3 (distance-3 color code) לתוך קוד משטח במרחק 5 (distance-5 surface code), ולדברי Google הדבר הראה שמצבים מטוהרים יכולים לשרוד את המעבר על החומרה שלה. החברה תיארה גם חודשים של איתור תקלות לאחר שהנתונים המוקדמים נראו בלתי סבירים מבחינה פיזיקלית: Rosenfeld איתרה את מקור הבעיה ברעש במעבדה שנבע מסחיפה של ציוד חשמלי ומשינויי טמפרטורה, שערערו את אמת המידה הרגילה של הצוות; הדבר הוביל להוספת בקרה ולגישת השוואה (benchmarking) חדשה שבה הטיפוח משמש למדידת עצמו.

Google הודתה כי עדיין יש להדגים את הטיפוח בקנה מידה גדול יותר לפני שיהפוך לריאלי עבור מכונות מעשיות, ואמרה כי נותרו אתגרים טכניים רבים. נתון השימור פירושו גם שרוב הניסיונות בניסוי הושלכו. טיוטה מקדימה של המאמר פורסמה קודם לכן ב-arXiv. Google מציגה את התוצאה כצעד לקראת יעדה לבנות מחשב קוונטי שימושי עם תיקון שגיאות.