- 22,476
- 46
- 8 Ноя 2022
Как превратить самые хрупкие вычисления во Вселенной в неубиваемые?
Квантовые компьютеры — это не просто более мощная версия привычной техники. Они устроены совсем иначе: вместо обычных битов, принимающих значения 0 или 1, здесь используются кубиты — квантовые аналоги, способные находиться в нескольких состояниях одновременно. Такое свойство, называемое суперпозицией, открывает новые горизонты для вычислений, но одновременно делает такие системы чрезвычайно чувствительными к внешнему воздействию. Даже малейшие колебания температуры, механические колебания или электромагнитные помехи могут разрушить запутанность квантовых состояний.
Чтобы сохранить информацию в условиях такого нестабильного окружения, исследователи уже десятки лет работают над методами исправления ошибок , возникающих из-за шума. Эти подходы позволяют выявлять и нейтрализовать сбои, не вмешиваясь напрямую в данные. Один из наиболее проработанных вариантов — surface code, или код на поверхности. Он широко изучался в теории, но его стабильная реализация на настоящем оборудовании до сих пор вызывает сложности.
Недавно команда Google Quantum AI продвинулась в этом направлении: специалисты впервые успешно реализовали три варианта surface code на практике, используя так называемые динамические схемы. Результаты были опубликованы в журнале Nature Physics. Эта работа не только подтверждает работоспособность теоретических моделей, но и предлагает свежие решения для создания надёжных квантовых процессоров.
В обычных вычислительных системах исправление ошибок давно стало стандартной процедурой — от ECC-модулей до RAID-хранилищ. В квантовых системах всё гораздо сложнее: любое вмешательство может как спасти данные, так и нарушить их. Код на поверхности решает проблему иначе — он размещает кубиты на плоскости в виде сетки и с определённой периодичностью выполняет проверки, не разрушая хранимую информацию напрямую. Такой подход позволяет обнаружить сбои и внести корректировки до того, как они начнут искажать результат.
Проблема в том, что реализовать такую схему с нужной точностью крайне сложно. Несмотря на обилие теоретических работ, устойчивые реализации в экспериментах получались лишь в отдельных случаях. Один из авторов недавнего исследования, Мэтт МакЮэн, раньше уже предлагал три способа построения surface code с использованием динамических конфигураций — таких, которые можно адаптировать к особенностям конкретного чипа. Теперь эти идеи удалось проверить вживую.
В Google протестировали три разных подхода: hex, iSWAP и walking circuit. Каждый из них учитывает ограничения, с которыми сталкиваются реальные квантовые устройства.
В классической версии код использует квадратную сетку, где каждый кубит соединён с четырьмя соседями. В hex-модификации структура преобразована в шестиугольную: теперь каждый элемент взаимодействует только с тремя другими. Это снижает сложность конструкции, уменьшает число соединений и даёт больше свободы при проектировании. Такой формат особенно полезен в условиях, где плотность компонентов ограничена технологиями производства.
Вторая схема построена на другом типе вентилей — вместо стандартного CZ используется операция iSWAP. Такие элементы проще реализовать на практике, а ещё они не вызывают так называемых утечек — ситуаций, когда кубит «вылетает» из допустимого диапазона. Однако у iSWAP есть и свои слабости — возможны фазовые ошибки (CPHASE). Команда доказала, что даже на устройстве, изначально оптимизированном под CZ, схема с новым вентилем работает стабильно. Это даёт основания пересмотреть архитектуру будущих чипов в пользу iSWAP.
Третий вариант — walking circuit — позволяет кубитам обмениваться местами в процессе работы. Это даёт возможность «переносить» информацию по чипу, оставляя за собой сбойные узлы. Такой подход помогает снизить влияние утечек, а заодно открывает новые приёмы для логической маршрутизации — например, размещения элементов алгоритма в зависимости от состояния конкретного оборудования.
Эксперименты показали: все три подхода дали заметный эффект. Вариант с hex-структурой повысил устойчивость к ошибкам в 2,15 раза по сравнению с базовым решением, схема с движущимися кубитами — в 1,69 раза, а iSWAP — в 1,56 раза. Это означает, что даже на нестабильных чипах можно добиться ощутимого улучшения, если учитывать их конкретные свойства. Такой подход позволяет гибко настраивать защиту от ошибок под особенности конкретной платформы — от структуры сетки до используемых вентилей.
Кроме самих схем, авторы предложили ещё одну полезную разработку — систему расчёта детекторного бюджета. Это способ быстро определить, какие типы сбоев сильнее всего влияют на итоговое качество. Раньше такие оценки требовали сложного моделирования, теперь метод стал доступен даже небольшим лабораториям. Это может существенно ускорить отладку и сократить число итераций при разработке новых решений.
В дальнейшем команда собирается перейти к более сложным конфигурациям — в частности, к схемам, основанным на методике LUCI. Эта концепция позволяет строить защиту даже на устройствах с дефектными участками — теми компонентами, которые не функционируют стабильно. Системы такого рода смогут адаптироваться к «неровному» железу, пусть и ценой большей сложности в логике взаимодействий. В перспективе они должны повысить надёжность квантовых вычислений даже на несовершенных платформах.
Квантовые компьютеры — это не просто более мощная версия привычной техники. Они устроены совсем иначе: вместо обычных битов, принимающих значения 0 или 1, здесь используются кубиты — квантовые аналоги, способные находиться в нескольких состояниях одновременно. Такое свойство, называемое суперпозицией, открывает новые горизонты для вычислений, но одновременно делает такие системы чрезвычайно чувствительными к внешнему воздействию. Даже малейшие колебания температуры, механические колебания или электромагнитные помехи могут разрушить запутанность квантовых состояний.
Чтобы сохранить информацию в условиях такого нестабильного окружения, исследователи уже десятки лет работают над методами исправления ошибок , возникающих из-за шума. Эти подходы позволяют выявлять и нейтрализовать сбои, не вмешиваясь напрямую в данные. Один из наиболее проработанных вариантов — surface code, или код на поверхности. Он широко изучался в теории, но его стабильная реализация на настоящем оборудовании до сих пор вызывает сложности.
Недавно команда Google Quantum AI продвинулась в этом направлении: специалисты впервые успешно реализовали три варианта surface code на практике, используя так называемые динамические схемы. Результаты были опубликованы в журнале Nature Physics. Эта работа не только подтверждает работоспособность теоретических моделей, но и предлагает свежие решения для создания надёжных квантовых процессоров.
В обычных вычислительных системах исправление ошибок давно стало стандартной процедурой — от ECC-модулей до RAID-хранилищ. В квантовых системах всё гораздо сложнее: любое вмешательство может как спасти данные, так и нарушить их. Код на поверхности решает проблему иначе — он размещает кубиты на плоскости в виде сетки и с определённой периодичностью выполняет проверки, не разрушая хранимую информацию напрямую. Такой подход позволяет обнаружить сбои и внести корректировки до того, как они начнут искажать результат.
Проблема в том, что реализовать такую схему с нужной точностью крайне сложно. Несмотря на обилие теоретических работ, устойчивые реализации в экспериментах получались лишь в отдельных случаях. Один из авторов недавнего исследования, Мэтт МакЮэн, раньше уже предлагал три способа построения surface code с использованием динамических конфигураций — таких, которые можно адаптировать к особенностям конкретного чипа. Теперь эти идеи удалось проверить вживую.
В Google протестировали три разных подхода: hex, iSWAP и walking circuit. Каждый из них учитывает ограничения, с которыми сталкиваются реальные квантовые устройства.
В классической версии код использует квадратную сетку, где каждый кубит соединён с четырьмя соседями. В hex-модификации структура преобразована в шестиугольную: теперь каждый элемент взаимодействует только с тремя другими. Это снижает сложность конструкции, уменьшает число соединений и даёт больше свободы при проектировании. Такой формат особенно полезен в условиях, где плотность компонентов ограничена технологиями производства.
Вторая схема построена на другом типе вентилей — вместо стандартного CZ используется операция iSWAP. Такие элементы проще реализовать на практике, а ещё они не вызывают так называемых утечек — ситуаций, когда кубит «вылетает» из допустимого диапазона. Однако у iSWAP есть и свои слабости — возможны фазовые ошибки (CPHASE). Команда доказала, что даже на устройстве, изначально оптимизированном под CZ, схема с новым вентилем работает стабильно. Это даёт основания пересмотреть архитектуру будущих чипов в пользу iSWAP.
Третий вариант — walking circuit — позволяет кубитам обмениваться местами в процессе работы. Это даёт возможность «переносить» информацию по чипу, оставляя за собой сбойные узлы. Такой подход помогает снизить влияние утечек, а заодно открывает новые приёмы для логической маршрутизации — например, размещения элементов алгоритма в зависимости от состояния конкретного оборудования.
Эксперименты показали: все три подхода дали заметный эффект. Вариант с hex-структурой повысил устойчивость к ошибкам в 2,15 раза по сравнению с базовым решением, схема с движущимися кубитами — в 1,69 раза, а iSWAP — в 1,56 раза. Это означает, что даже на нестабильных чипах можно добиться ощутимого улучшения, если учитывать их конкретные свойства. Такой подход позволяет гибко настраивать защиту от ошибок под особенности конкретной платформы — от структуры сетки до используемых вентилей.
Кроме самих схем, авторы предложили ещё одну полезную разработку — систему расчёта детекторного бюджета. Это способ быстро определить, какие типы сбоев сильнее всего влияют на итоговое качество. Раньше такие оценки требовали сложного моделирования, теперь метод стал доступен даже небольшим лабораториям. Это может существенно ускорить отладку и сократить число итераций при разработке новых решений.
В дальнейшем команда собирается перейти к более сложным конфигурациям — в частности, к схемам, основанным на методике LUCI. Эта концепция позволяет строить защиту даже на устройствах с дефектными участками — теми компонентами, которые не функционируют стабильно. Системы такого рода смогут адаптироваться к «неровному» железу, пусть и ценой большей сложности в логике взаимодействий. В перспективе они должны повысить надёжность квантовых вычислений даже на несовершенных платформах.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
