Google zgjidh një pengesë kryesore në llogaritjen kuantike

AI kuantik i Google ka hapur në mënyrë demonstrative një pengesë kyçe në informatikën kuantike: ne kemi treguar se “kultivimi i gjendjes magjike” funksionon në praktikë në procesorin tonë Willow, duke zvogëluar gabimet rreth 40 herë krahasuar me pa të. Ky zbulim i madh, i botuar sot në Science, është një hap vendimtar drejt shkallëzimit të informatikës kuantike në përdorim praktik.

Që nga viti 2004, shumë kohë përpara se informatika kuantike të bëhej një ndjekje praktike e inxhinierisë, studiuesit kanë parashikuar një pengesë veçanërisht të ndërlikuar.

Për të arritur informatikën kuantike “universale” dhe për të ekzekutuar programe të dobishme, duhet të jeni në gjendje të ekzekutoni (dhe të korrigjoni gabimet ) një grup specifik operacionesh kuantike. Mund ta bëni këtë duke krijuar së pari ato që quhen “gjendje magjike”, të quajtura kështu sepse ato mund t’ju ndihmojnë të krijoni operacionet që ju nevojiten për të shkuar përtej informatikës klasike.

Por ka një problem: krijimi i gjendjeve magjike me cilësi të lartë dhe të korrigjuara nga gabimet kërkon shumë burime. Disa vlerësime kanë treguar se deri në 95% të kapacitetit të plotë të një kompjuteri kuantik mund të duhet t’i kushtohet krijimit të tyre – duke lënë pak hapësirë ​​për llogaritjen aktuale. Një sfidë shtesë është se pasi të përdorni një gjendje magjike, nuk mund ta ripërdorni atë, duke i bërë gjendjet magjike një burim të rrallë.

Pra, për 20 vjet, studiuesit kanë zvogëluar këtë kosto të magjisë, duke e ulur atë gjithnjë e më shumë.

Në vitin 2024, studiuesit e Google Quantum AI, Craig Gidney, Noah Shutty dhe Cody Jones, shfrytëzuan një ide nga literatura, e rafinuan atë dhe zhvilluan atë që ne tani e quajmë “kultivim i gjendjes magjike”. Qasja e tyre premtonte një reduktim veçanërisht të madh. Ideja ishte që kultivimi do të vepronte si një filtër. ​​Do të injektonit një gjendje të zhurmshme në një rajon të vogël në një çip kuantik dhe më pas do të kryenit një seri matjesh shumë të koordinuara për të kontrolluar gabimet dhe për të hequr çdo përpjekje të gabuar. Craig dhe ekipi treguan se si kjo do t’ju lejonte të rritnit, ose “kultivonit”, një gjendje kuantike jashtëzakonisht të pastër dhe me gabime të ulëta që mund ta përshtatnit njëkohësisht në një kodim më të madh dhe të dobishëm.

Në letër, dukej shkëlqyeshëm. Nëse do të mund ta realizonim këtë ide në harduerin tonë kuantik, kjo mund ta zvogëlonte ndjeshëm madhësinë e kompjuterit kuantik të nevojshëm për detyra praktike.

Në praktikë — dhe në të njëjtin nivel me zhvillimin e shumë teknologjive të reja — kjo kërkoi një sërë inovacionesh teknike dhe inxhinierike.

Si vetëm një shembull, kur testoi për herë të parë protokollin e kultivimit, shkencëtarja e kërkimit të IA-së Kuantike në Google, Emma Rosenfeld, po shihte të dhëna që dukeshin se sfidonin ligjet e fizikës. Pas muajsh konfuzioni, simulimesh, diskutimesh me kolegët dhe kontrollesh të qëndrueshmërisë, ajo zbuloi se kjo buronte nga një supozim i gabuar në teknikën e matjes së ekipit. Konkretisht, një lloj i veçantë zhurme në laborator i shkaktuar nga zhvendosja e pajisjeve elektrike dhe ndryshimi i temperaturës po ndërhynte në vlefshmërinë e pikës referuese. Zgjidhja kërkonte një ndryshim në qasjet tona teorike dhe inxhinierike. Ekipi shtoi kontroll shtesë në sistem për të zvogëluar ndikimin e asaj zhurme dhe shpiku një teknikë të re të pikës referuese për ta zgjidhur çështjen në mënyrë më themelore, duke përdorur kultivimin si një mjet për të matur veten.

Me këtë dhe shumë inovacione të tjera algoritmike dhe zgjidhje inxhinierike, ne krijuam një gjendje të re të artit në metrologjinë kuantike. Në procesorin Willow të Google Quantum AI, protokolli ynë arriti një reduktim të jashtëzakonshëm prej 40-fish të gabimeve në krahasim me gjendjet e pakultivuara. Dhe morëm gjendje T me një besnikëri logjike rekord prej 99.99%.

Tani i botuar në Science, ky punim është demonstrimi i parë i një zgjidhjeje praktike për një nga pengesat më të mëdha të burimeve të informatikës kuantike. Ai demonstron, në harduer real, se ne mund t’i krijojmë në mënyrë efikase këto gjendje magjike vendimtare.

Gjithashtu, ne ndërmorëm hapat e parë për të demonstruar se teoritë e Craig dhe të të tjerëve janë të pajtueshme me arkitekturën tonë të informatikës kuantike. Mësuam se si të kalojmë me sukses midis “kodeve të ngjyrave” (një lloj më i ri i korrigjimit të gabimeve kuantike, ideal për kultivim) dhe “kodeve sipërfaqësore” (një metodë tjetër, më e vendosur), duke shartuar gjendjet nga një kod ngjyre me distancë 3 në një kod sipërfaqësor me distancë 5. I zhvilluar fillimisht në punimin teorik të vitit 2024, ky protokoll shartimi tregoi se në praktikë, gjendjet e pastruara mund të mbijetojnë dhe të transferohen pa probleme brenda pajisjeve tona.

Sigurisht, ne ende duhet të demonstrojmë kultivimin e gjendjes magjike në një shkallë më të gjerë për ta bërë atë realiste për informatikën kuantike praktike, dhe mbeten shumë sfida teknike. Por ky arritje merr një ide kyçe teorike dhe e shndërron atë në një realitet të demonstruar eksperimentalisht. Na sjell një hap më afër qëllimit tonë në Google Quantum AI ndërtimin e një kompjuteri kuantik të dobishëm, të korrigjuar nga gabimet, për të zgjidhur probleme që përndryshe do të ishin të pazgjidhshme.