Google направи пробив в областта на квантовите изчисления. Благодарение на нов, подобрен процесор и усъвършенствана система за коригиране на грешки, беше възможно значително да се увеличи живота на квантовият кубит. Учените създадоха квантовия процесор Willow, който за първи път преодолява прага на квантовата корекция на грешки. Това означава, че с увеличаване на броя на кубитите процентът на грешки не се увеличава, а намалява. Освен това, на напълно натоварен 105-кубитов процесор беше установено, че логическият квантов бит е стабилен средно в продължение на един час.
За да развие квантовите технологии, Google е изградила собствен производствен център за създаване на свръхпроводящи процесори. „Преди всички устройства Sycamore се разработваха в общата лаборатория на университета, където на едно място аспиранти и други изследователи работеха върху различни експерименти, – казва Джулиан Кели, говорител на екипа на Google. – Ние обаче инвестирахме значителни средства в създаването на ново предприятие, наемането на персонал, оборудване и преместването на нашите процеси там.“
Първият резултат от работата на новия център беше увеличаването на броя на кубитите до 105 единици на процесора Willow, който стана второто поколение квантови процесори на Google. Новата архитектура на този процесор позволява да се намали честотата на грешките благодарение на увеличаването на размера на отделните кубити, правейки ги по-малко чувствителни към шум. Този напредък беше потвърден и в тестове, проведени с помощта на собствения бенчмарк на Google. „Стигнахме до извода, че изпълнението на задача на нашия нов процесор отнема по-малко от пет минути, докато на класическия компютър ще отнеме време, съизмеримо с възрастта на Вселената “, – отбеляза Кели. По-точно, за по-малко от 5 минути Willow реши проблем от квантовия тест RCS, което би отнело на Frontier (най-бързия суперкомпютър в света) 10 септилиона (1024) години.
Ключов аспект на изследването е поведението на логическите кубити, които са основният елемент на квантовите изчисления. Те се състоят от няколко хардуерни кубити, които работят заедно за откриване и корекция на грешките. За изпълнение на сложни алгоритми, отнемащи няколко часа, стабилността на такива кубити е от решаващо значение и новият резултат на Google потвърждава, че подобрената корекция на грешките може да осигури необходимото ниво на надеждност. Квантовата корекция на грешките е задача, която стоеше пред изследователите през последните 30 години и пречеше на практическото използване на квантовите компютри.
За целта е използван специален код за коригиране на грешки, който е „повърхностен код“ (този код също така трябва да е устойчив на грешки), който трябва да се вписва перфектно в квадратната мрежа от кубити. Увеличаването на размера на тази мрежа и използването на все повече нейни части подобрява корекцията. Проучването показва, че преминаването от разстояние 3 до 5 и след това до 7 намалява броя на грешките наполовина на всеки етап. „Ние разширяваме мрежата по тази система и процентът на грешки намалява наполовина за всяка стъпка“, – обяснява Майкъл Нюман от Google.
Въпреки това, кубитите все още са обект на редки проблеми. Една от причините са локални изблици на грешки, друга причина се крие в по-сложен феномен, включващ едновременни грешки в област, състояща се от около 30 кубита. Досега са регистрирани само шест такива събития, така че изучаването им е затруднено и Google подчертава, че „тези събития са толкова редки, че ни е трудно да съберем достатъчно статистика, за да ги анализираме“.
В допълнение към подобряването на стабилността, увеличаването на размера на кода за коригиране на грешките позволява значително да се усили ефектът от бъдещи подобрения на хардуера. Например, Google изчислява, че подобряването на производителността на хардуерните кубити два пъти при кодово разстояние на Хеминг от d-15 ще намали грешките на логическия кубит 250 пъти. При разстояние d-27 същото подобрение ще намали грешките повече от 10 000 пъти.
Пълното отстраняване на грешките обаче е невъзможно. „Важно е да се разбере, че винаги ще има определено ниво на грешки, но то може да бъде намалено до ниво, където става практически незначително“, – отбелязват от компанията. Въпреки че са необходими допълнителни изследвания за увеличаване на живота на логическите кубити и мащабиране на системата, екипът на Google е уверен в постигането на своите цели и експоненциалните подобрения потвърждават жизнеспособността на технологията.
Получените резултати откриват път към изграждането на практически полезни квантови системи. До края на десетилетието Google планира да създаде пълноценен квантов компютър, устойчив на грешки, и да започне да предоставя квантови изчисления в облака.