Quantum & After. Вопрос №6: чего квантовый компьютер не может?

Квантовый компьютер ограничивает не конкуренция технологий, а физика: кубиты очень чувствительны к окружающей среде и легко теряют нужное для вычислений состояние.

В новом выпуске рубрики «Quantum & After» — про физические и логические кубиты, декогеренцию и коррекцию ошибок.

Короткий ответ

Квантовые компьютеры не заменят обычные, не поместятся в карман и не запустят привычные программы. И дело не только в текущем уровне развития технологии: кубиты очень чувствительны к внешнему шуму, а ошибки быстро накапливаются по мере усложнения вычислений. Без коррекции длинные алгоритмы теряют точность. Чтобы снизить число ошибок, квантовую информацию распределяют между несколькими физическими кубитами, формируя более устойчивый логический кубит.

Почему так

Вернемся к примеру из предыдущего выпуска. Представим монетку, которая еще не упала: мы не знаем, орлом или решкой закончится ее движение. В квантовой системе неопределенность устроена похоже, но иначе: кубит может находиться в суперпозиции двух состояний. Любое внешнее воздействие способно нарушить это состояние и привести к ошибке. В квантовом железе источниками таких ошибок становятся тепловой шум, вибрации, электромагнитные помехи, несовершенства материалов и управления. Именно поэтому сверхпроводящие процессоры Google и IBM работают при температурах порядка 10–20 мК, значительно ниже температуры реликтового излучения ~2,72 К. Такое охлаждение снижает тепловой шум, но требует сложных криогенных установок.

Физический кубит — это реальная квантовая система: сверхпроводящая цепь, ион в ловушке, фотон или электронный спин. Из-за воздействия среды он шумит: у сверхпроводниковых кубитов ошибка двухкубитных операций обычно составляет 10⁻³-10⁻² (0,1–1%). 

Точность в 99,9% уже продемонстрирована на технологических платформах лидеров рынка. Среди ионных платформ этого добилась Quantinuum: ее система H1-1 показала точность двухкубитных вентилей 99,914% на всех парах кубитов, а флагманский 98-кубитный Helios — 99,921%. В сверхпроводниковых системах сопоставимый уровень демонстрируют IQM, зафиксировавшая точность CZ-вентиля 99,91%, и IBM, у которой процессоры линеек Egret и Heron выходят на точность порядка 99,9%.

Логический кубит — это защищенная от ошибок единица информации, квантовое состояние которой распределено между множеством физических кубитов с помощью квантовой коррекции ошибок (QEC). Один из наиболее изученных подходов — поверхностный код. Его главные преимущества — локальность операций, плоская двухмерная геометрия архитектуры и высокий теоретический порог устойчивости к ошибкам (около 1%). 

В последние два года эксперименты с QEC вышли на новый уровень: 

квантовый процессор Willow от Google Quantum AI продемонстрировал работу ниже порога поверхностного кода, показав экспоненциальное подавление логических ошибок по мере роста расстояния кода. При увеличении размера решетки физических кубитов частота ошибок логического кубита стабильно снижается более чем в два раза на каждый шаг масштабирования; 
квантовый компьютер Quantinuum Helios использует 98 физических кубитов на ионах бария-137 в архитектуре QCCD. В одном из режимов компания продемонстрировала 48 логических кубитов с коррекцией ошибок при соотношении примерно два физических кубита на один логический.
команда исследователей из Гарварда, MIT и QuEra использовала процессор из максимум 448 нейтральных атомов и выполнила схемы с десятками логических кубитов, в отдельных конфигурациях — до 96.

Платой за надежность долго считалась избыточность до ~1000 физических кубитов на один логический, откуда и росли оценки в миллион кубитов для коммерчески значимых задач. Высокоскоростные qLDPC-коды потенциально сокращают расходы примерно на порядок — до десятков физических кубитов на логический, а не до единиц. 

Что это значит

Массовые универсальные отказоустойчивые квантовые компьютеры пока остаются лишь в дорожных картах компаний. Например, IBM заявляет о планах построить к 2029 году систему Starling на 200 логических кубитов, способную выполнить 100 млн операций. Даже если заявленные проекты выполнят без сдвигов по срокам — а сдвигаются они регулярно, — на выходе получится узкоспециализированный сопроцессор в облаке рядом с классическим суперкомпьютером, а не замена дата-центра.

Само по себе число физических кубитов мало говорит о возможностях квантовой машины. Важны и качество операций, скорость возникновения ошибок, эффективность их подавления при увеличении кода и, главное, количество логических кубитов, которые система способна поддерживать с достаточно низкой вероятностью ошибки.

Q-чек ForkLog: где преимущество есть, а где нет
Заменит ли квантовый компьютер обычный ноутбук?
Где преимущество формально доказано?
Где преимущество ожидают?
Где преимущества нет?
Много кубитов — много пользы?
Что дальше

Если технология настолько чувствительна к ошибкам и требует сложной инфраструктуры, возникает следующий вопрос: зачем корпорации и государства продолжают вкладывать в нее миллиарды? В следующем выпуске разберем инвестиционную логику отрасли: чего ждут корпорации и государства и где проходит граница между ставкой на будущее и пузырем.

Читайте в прошлых выпусках:

Можно ли заработать на квантовых технологиях.
Как блокчейны готовятся к «квантовой» эре.
Можно ли взломать квантовый интернет.
Квантовый компьютер — убийца биткоина?
Зачем нужен квантовый компьютер.