Первый в мире отказоустойчивый квантовый компьютер будет запущен в этом году, а 10 000-кубитная машина появится в 2026-м

Первый в мире коммерческий отказоустойчивый квантовый компьютер с «логическими кубитами» может быть запущен уже до конца года.

Логические кубиты — физические квантовые биты, или кубиты, соединенные посредством квантовой запутанности, — уменьшают количество ошибок в квантовых компьютерах за счет хранения одних и тех же данных в разных местах. Это уменьшает количество точек отказа при выполнении вычислений.

Новая машина, имеющая 256 физических и 10 логических кубитов, будет запущена в конце 2024 года, говорится в заявлении компании QuEra, которая занимается ее созданием.

Это заявление последовало за новым исследованием, опубликованным в журнале Nature, в котором ученые из QuEra и нескольких других институтов продемонстрировали функционирующий квантовый компьютер, содержащий 48 логических кубитов — самое большое количество логических кубитов, протестированных на сегодняшний день.

«Это первая машина с квантовой коррекцией ошибок, — сообщил соавтор исследования Гарри Чжоу, физик из QuEra и Гарвардского университета.

Хотя этот компьютер не обладает достаточной мощностью, чтобы быть полезным сам по себе, он представляет собой платформу, на которой программисты могут начать тестировать код для будущих квантовых компьютеров, сказал Чжоу.

Почему квантовым компьютерам нужна коррекция ошибок

В то время как обычные компьютеры хранят информацию в битах, имеющих значение 0 или 1, квантовые компьютеры используют кубиты — суперпозицию между 0 и 1, благодаря законам квантовой механики.

Кубиты также могут быть сшиты вместе с помощью квантовой запутанности, чтобы существовать в нескольких состояниях одновременно. Это позволяет им выполнять многие вычисления гораздо быстрее, чем классические компьютеры — при условии, что вы сможете построить квантовый компьютер с достаточным их количеством. Но квантовые биты легко нарушить, поэтому они печально известны как подверженные ошибкам. Примерно 1 из 1 000 не работает, в то время как в обычных компьютерах — 1 из 1 миллиарда миллиардов бит.

Квантовые компьютеры могут превзойти лучшие суперкомпьютеры, если будут включать в себя миллионы кубитов, но самый большой квантовый компьютер, построенный на данный момент, имеет только около 1000 кубитов, а высокая частота отказов кубитов ограничивает потенциальное увеличение масштаба. Исправление ошибок может противостоять склонности кубитов к сбоям, и создание логических кубитов — один из способов сделать это.

Логические кубиты: уменьшение квантового шума

По словам Чжоу, новая система исправления ошибок опирается на избыточность данных, когда один и тот же фрагмент данных хранится в нескольких местах. Логические кубиты выполняют одни и те же вычисления на нескольких физических кубитах, что значительно снижает количество ошибок, если один или несколько физических кубитов выходят из строя, поскольку данные доступны в другом месте, и вычисления могут продолжаться.

Чтобы создать логический кубит, исследователи применили компьютерный код, исправляющий ошибки, к обычным кубитам. Затем они установили логические ворота, или цепи, между кубитами, чтобы запутать их. Затем квантовый компьютер вычисляет «синдром» — показатель того, насколько вероятно, что произошла ошибка или нет. Используя эту информацию, квантовый компьютер исправляет ошибки и переходит к следующему шагу.

Новые кубиты представляют собой значительный прогресс по сравнению с предыдущими работами. В 2023 году лаборатория Google Quantum AI Lab продемонстрировала коэффициент ошибок 2,9% при использовании трех логических кубитов; коэффициент ошибок Quera составляет 0,5% при использовании 48 логических кубитов. Мировым лидером является Оксфордский университет, который достиг уровня ошибок менее 0,01 % — но только между двухкубитными воротами.

В прошлом году IBM также продемонстрировала технологию коррекции ошибок в своем 127-кубитном чипе Heron, которая позволила снизить уровень ошибок в пять раз по сравнению с другими чипами. Но первая коммерческая отказоустойчивая машина ожидается не раньше 2029 года.

QuEra планирует запустить несколько квантовых компьютеров в ближайшие годы, начиная с машины с 30 логическими квитами и 3000 физическими квитами, которая выйдет в 2025 году. Выпуск монстра — машины с более чем 10 000 физических и 100 логических кубитов — запланирован на 2026 год.

«При 100 логических кубитах машина [2026 года] сможет выполнять корректные вычисления, превосходящие возможности современных суперкомпьютеров», — говорит Чжоу.