Google demonstrerar odling av magiska tillstånd på Willow och minskar felen ungefär 40 gånger

Google Quantum AI uppger att företaget har visat att odling av magiska tillstånd, en teknik för att förbereda en särskild sorts kvantresurs, fungerar på dess supraledande processor Willow. Enligt företaget minskade metoden felen ungefär 40 gånger jämfört med tillstånd som förberetts utan den. Google uppgav att arbetet publicerades i Science och tillkännagav det denna vecka i ett blogginlägg av forskaren Emma Rosenfeld och kvantmjukvaruingenjören Craig Gidney.

Feltoleranta kvantdatorer behöver en universell uppsättning operationer, och de så kallade non-Clifford-grindarna bland dem utgör en betydande resurskostnad i de flesta konstruktioner för felkorrigering. Ett vanligt sätt att tillhandahålla dem är att först förbereda särskilda indatatillstånd, så kallade magiska tillstånd, och förbruka dem för att utföra dessa operationer. Varje magiskt tillstånd kan bara förbrukas en gång, och att framställa dem med låg felnivå är dyrt: Google hänvisar till uppskattningar om att upp till 95% av en maskins kapacitet skulle kunna gå åt till att producera dem. Forskare har förutsett denna flaskhals sedan 2004, enligt företaget.

Odlingsmetoden föreslogs 2024 av Gidney tillsammans med Google-kollegerna Noah Shutty och Cody Jones, som förfinade en idé från tidigare litteratur. Den fungerar som ett filter: ett brusigt tillstånd injiceras i ett litet område av chippet och kontrolleras sedan genom en sekvens av koordinerade mätningar, och varje försök som avslöjar ett fel kastas. Enligt abstraktet till teamets preprint på arXiv nådde experimentet en tillståndsfidelitet på 0,9999(1) medan 8% av försöken behölls, och teamet utvecklade ett feltolerant mätprotokoll för att sätta en gräns för den fideliteten. Google beskriver den logiska fideliteten på 99,99% för sina T-tillstånd som ett rekord.

Forskarna flyttade också odlade tillstånd mellan två felkorrigeringsscheman. Färgkoder, ett nyare angreppssätt, passar för odling, medan ytkoder är den mer etablerade metoden. Teamet ympade över tillstånd från en färgkod med avstånd 3 till en ytkod med avstånd 5, vilket enligt Google visade att renade tillstånd kan överleva överlämningen på företagets hårdvara. Företaget beskrev också månader av felsökning efter att tidiga data sett fysikaliskt osannolika ut: Rosenfeld spårade problemet till brus i labbet från driftande elektrisk utrustning och temperaturförändringar som undergrävde teamets vanliga riktmärke, vilket ledde till utökad kontroll och en ny benchmarkingmetod där odlingen används för att mäta sig själv.

Google medgav att odlingsmetoden fortfarande måste demonstreras i större skala innan den blir realistisk för praktiska maskiner, och sade att många tekniska utmaningar återstår. Andelen behållna försök innebär också att de flesta försöken i experimentet kasserades. En preprint av artikeln publicerades tidigare på arXiv. Google framställer resultatet som ett steg mot målet att bygga en användbar, felkorrigerad kvantdator.