Google demonstruje kultywację stanów magicznych na procesorze Willow i ogranicza błędy około 40-krotnie

Google Quantum AI podaje, że udało mu się wykazać, iż kultywacja stanów magicznych (magic state cultivation), technika przygotowywania szczególnego rodzaju zasobu kwantowego, działa na jego nadprzewodzącym procesorze Willow. Według firmy metoda zmniejszyła błędy mniej więcej 40-krotnie w porównaniu ze stanami przygotowanymi bez niej. Google poinformował, że praca została opublikowana w czasopiśmie Science, i ogłosił to w tym tygodniu we wpisie na blogu, którego autorami są badaczka Emma Rosenfeld i inżynier oprogramowania kwantowego Craig Gidney.

Odporne na błędy komputery kwantowe potrzebują uniwersalnego zestawu operacji, a tak zwane bramki non-Clifford stanowią w większości projektów korekcji błędów znaczący koszt zasobów. Jednym z powszechnych sposobów ich dostarczania jest wcześniejsze przygotowanie specjalnych stanów wejściowych, zwanych stanami magicznymi, i zużywanie ich do wykonania tych operacji. Każdy stan magiczny można zużyć tylko raz, a wytwarzanie ich z niskim poziomem błędów jest kosztowne: Google wskazuje na szacunki, według których nawet 95% mocy maszyny mogłoby przypadać na ich produkcję. Jak podała firma, badacze przewidywali to wąskie gardło już od 2004 roku.

Kultywację zaproponowali w 2024 roku Gidney oraz koledzy z Google, Noah Shutty i Cody Jones, którzy udoskonalili pomysł z wcześniejszej literatury. Działa ona jak filtr: zaszumiony stan jest wstrzykiwany do niewielkiego obszaru układu i sprawdzany serią skoordynowanych pomiarów, a każda próba, która ujawni błąd, jest odrzucana. Według streszczenia preprintu zespołu w serwisie arXiv eksperyment osiągnął wierność stanu 0,9999(1) przy zachowaniu 8% prób, a zespół opracował odporny na błędy protokół pomiarowy, aby wyznaczyć ograniczenie dla tej wierności. Google określa logiczną wierność 99,99% dla swoich stanów T jako rekord.

Badacze przenieśli też kultywowane stany między dwoma schematami korekcji błędów. Kody kolorowe (color codes), nowsze podejście, dobrze nadają się do kultywacji, natomiast kody powierzchniowe (surface codes) są metodą bardziej ugruntowaną. Zespół przeszczepił stany z kodu kolorowego o odległości 3 (distance-3) do kodu powierzchniowego o odległości 5 (distance-5), co według Google pokazało, że oczyszczone stany mogą przetrwać to przekazanie na jego sprzęcie. Firma opisała też miesiące rozwiązywania problemów po tym, jak wczesne dane wyglądały na fizycznie nieprawdopodobne: Rosenfeld ustaliła, że źródłem problemu był szum w laboratorium wywołany przez dryfujące urządzenia elektryczne i zmiany temperatury, które podważały standardowy benchmark zespołu, co skłoniło do wprowadzenia dodatkowej kontroli oraz nowej metody benchmarkingu, w której kultywacja służy do pomiaru samej siebie.

Google przyznał, że kultywację trzeba jeszcze zademonstrować na większą skalę, zanim stanie się realistyczna dla praktycznych maszyn, i stwierdził, że wciąż pozostaje wiele wyzwań technicznych. Wskaźnik zachowanych prób oznacza również, że większość prób w eksperymencie została odrzucona. Preprint pracy został wcześniej opublikowany w serwisie arXiv. Google przedstawia ten wynik jako krok w stronę swojego celu, jakim jest zbudowanie użytecznego komputera kwantowego z korekcją błędów.