Впервые в истории исследователям удалось продемонстрировать один из самых таинственных и важных процессов в квантовых вычислениях — дистилляцию магических состояний — на логических кубитах.
Это революционное достижение открывает путь к созданию надежных квантовых машин, способных выполнять вычисления, которые не под силу ни одному классическому суперкомпьютеру. Процесс дистилляции магических состояний был предложен два десятилетия назад и с тех пор считался необходимым этапом на пути к полноценной реализации возможностей квантовых алгоритмов. Однако в течение всего этого времени он оставался недоступным для логических кубитов — высокоуровневых структур, которые объединяют множество физических кубитов для повышения точности вычислений.
Магические состояния — это особые квантовые состояния, которые предварительно подготавливаются и затем используются в сложнейших алгоритмах. Без них невозможно получить доступ к экзотическим свойствам квантовой механики, таким как параллельная обработка данных. До недавнего времени подобные состояния удавалось дистиллировать лишь на уровне обычных физических кубитов, подверженных ошибкам и шуму. Однако для ученых было важно задействовать логические кубиты — только они способны обнаруживать и исправлять ошибки, что позволяет квантовому компьютеру надежно выполнять длительные и сложные расчеты.
Команда из компании QuEra сообщила о первой в мире успешной дистилляции магических состояний на логических кубитах. С помощью квантового компьютера на нейтральных атомах Gemini исследователи преобразовали пять несовершенных магических состояний в одно очищенное — этот процесс, как выразился представитель компании Юваль Богер, аналогичен перегонке сырой нефти в топливо. Эксперимент был проведен на логических кубитах с различными степенями защиты — так называемыми расстояниями (Distance-3 и Distance-5), которые отражают способность системы обнаруживать и исправлять ошибки. Чем выше такое расстояние, тем надежнее логический кубит.
Квантовые вычисления подвержены высокой чувствительности к помехам — от тепловых флуктуаций до электромагнитных возмущений. Физические кубиты совершают ошибку примерно в каждом тысячном действии, в то время как в классических компьютерах сбои случаются в одном случае на миллион миллионов. Именно поэтому логические кубиты и механизмы коррекции ошибок являются основополагающими для практического применения квантовых вычислений. Ранее квантовые компьютеры могли выполнять лишь базовые операции — так называемые «Клиффорд-гейты», которые можно имитировать и на обычных компьютерах. Для достижения реального превосходства над классическими системами необходимы неклиффордовы операции, выполнение которых возможно только с использованием высококачественных магических состояний.
Дистиллированное магическое состояние оказалось более точным, чем любое из исходных, и это подтверждает, что процесс действительно работает, позволяя запускать полноценные квантовые программы на логических кубитах с высокой степенью защиты. По словам одного из авторов работы, Серджио Канту, это не просто техническое достижение, а необходимое условие для создания масштабируемых и эффективных квантовых машин.
Фото: hi-tech.mail.ru