Квантовые состояния чрезвычайно чувствительны: тепло, электромагнитный шум и несовершенство самого оборудования постепенно накапливают ошибки. Поэтому будущему действительно мощному квантовому компьютеру придётся уметь замечать неполадки и вмешиваться прямо во время вычисления — не начиная его каждый раз заново.
Команда Rutgers, IBM и нескольких американских университетов показала, что современное квантовое оборудование уже способно выполнять подобную процедуру в довольно крупной системе. Эксперимент провели на 156-кубитном процессоре IBM Quantum Heron, используя связанные цепочки длиной до 100 кубитов.
Исследователи специально устроили компьютеру соревнование двух процессов.
Первый постепенно «перемешивал» квантовую информацию — примерно как многократное тасование колоды карт. Второй в это же время проверял отдельные кубиты и, если требовалось, сбрасывал их состояние, пытаясь вернуть систему к заданному порядку.
Всего процессор выполнил почти 5000 операций между парами кубитов и ещё около 5000 измерений и сбросов — причём вычисление всё это время продолжалось.
Когда «перемешивание» происходило чаще, система оставалась хаотичной. Но стоило увеличить частоту проверок и вмешательств — и вся сотня кубитов переходила в управляемое состояние. На границе примерно 50 на 50 исследователи увидели резкий переход от хаоса к контролю — квантовый аналог фазового перехода вроде превращения воды в лёд.
И здесь важно не перепрыгнуть через несколько технологических ступеней.
Этот компьютер ещё не умеет самостоятельно находить и исправлять все ошибки вычисления. Полноценного отказоустойчивого квантового компьютера пока вообще не существует. В нынешнем эксперименте измерения и сбросы использовали прежде всего для управления квантовой динамикой и проверки фундаментальной физической модели.
Но именно такую способность — измерять часть системы, принимать решение и воздействовать на неё, пока остальные кубиты продолжают работать, — придётся повторять огромное количество раз в будущих системах коррекции ошибок. Поэтому авторы называют эксперимент одним из ориентиров на пути к fault-tolerant quantum computing.
А началась вся история не в лаборатории.
Несколько лет назад физики поспорили на дне рождения о том, можно ли подобным способом укротить квантовый хаос. Один из них проиграл и впоследствии расплатился двумя шариками черничного мороженого.
За спором последовала теория, затем разговор с исследователями IBM — и в итоге эксперимент на сотне кубитов.
Иногда путь к компьютеру, способному исправлять себя на ходу, начинается с очень хорошего спора.
И пары шариков мороженого.