Microsoft и Atom Computing делятся своими достижениями в области квантовых вычислений.

Некоторые компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, о которых мы писали ранее, недавно опубликовали отчеты о достигнутом прогрессе.

Майорана 2. Фото: Джон Бречер, Microsoft. Майорана 2. Фото: Джон Бречер, Microsoft.

Десятки компаний, от небольших стартапов до технологических гигантов, занимаются квантовыми вычислениями, и постоянно появляются новые результаты, поскольку они стремятся найти пути для практического применения. Мы, как правило, фокусируемся на новых технологиях и крупных достижениях, что может заслонять тот факт, что любой большой успех неизбежно будет основан на множестве постепенных шагов.

В последние несколько недель две компании опубликовали отчеты о ходе работы над внедрением своих технологий в широкую практику. Ни один из этих отчетов не является крупным прорывом, но все они абсолютно необходимы для дальнейшего развития технологий. Цель здесь – показать, сколько труда требуется для приближения нас к чему-то полезному.

Microsoft занимается материаловедением.

Microsoft — одна из немногих компаний, работающих над топологическими кубитами, основанными на особых физических процессах, происходящих при ограничении движения частиц. Система Microsoft использует тонкий сверхпроводящий провод, расположенный поверх полупроводника. В сверхпроводниках группы из двух электронов образуют пары Купера. Но если провод содержит нечетное число проводящих электронов — то есть один неспаренный электрон — он в конечном итоге окажется делокализованным на обоих концах провода. (Потому что квантовая механика — это странная штука.)

По крайней мере, именно такое поведение описывали теоретики. Прежде чем компания смогла создать кубиты, основанные на этом поведении, ей нужно было подтвердить, что это поведение действительно имеет место, как предсказывали теоретики. Путь был непростым. Некоторые из ранних работ в этой области впоследствии были отозваны, а попытки Microsoft продемонстрировать надежность физики были встречены с некоторым скептицизмом, поскольку демонстрируемая система была очень шумной. Несмотря на это, компания разработала план, основанный на создании кубитов из пар таких нанопроводов.

На этой неделе компания выпустила обновление, в котором сообщается о значительном улучшении производительности за счет изменения материалов, используемых для изготовления кубитов. В более ранней версии своего оборудования в качестве сверхпроводника использовался алюминий (устройства поддерживаются при температуре, близкой к абсолютному нулю). Теперь его заменили свинцом. Также был изменен состав полупроводника, в который добавлено некоторое количество олова, что улучшило спин-орбитальную связь между его электронами и электронами свинца.

Устройства, используемые Microsoft, имеют два параллельных провода и основаны на измерении четности пары (оба с одним дополнительным электроном, оба без электрона или смешанное состояние) с помощью квантовых точек. Как уже упоминалось, первоначальная система была очень шумной и часто спонтанно меняла состояние четности каждые 10 миллисекунд или меньше. С новыми материалами состояние четности иногда могло превышать 20 секунд. Такая стабильность всегда была обещанием топологических кубитов, и именно поэтому Microsoft изначально выбрала эту систему.

Тем не менее, компании еще предстоит долгий путь. Ей еще предстоит продемонстрировать способность манипулировать четностью таким образом, чтобы выполнять вычислительные операции над отдельными кубитами и их парами. В долгосрочной перспективе предстоит принять решения о том, как связать отдельные кубиты таким образом, чтобы обеспечить коррекцию ошибок. Но если эта рукопись выдержит проверку экспертами, то, похоже, ставка Microsoft на аппаратное обеспечение оказалась оправданной.

Подойдет любой атом.

Компания Atom Computing является одновременно конкурентом и партнером Microsoft, поскольку компании сотрудничали в разработке программного обеспечения и протоколов, необходимых для коррекции ошибок на оборудовании Atom.

Это не «аппаратное обеспечение» в типичном понимании вычислительной техники. Большая часть твердого материала включает лазеры и оптические направляющие; вычисления выполняются с использованием ядерных спинов атомов, удерживаемых массивом лазерного излучения. Тем не менее, Atom разрабатывает нечто похожее на архитектуру, в которой есть область хранения, зона операций и набор резервных атомов, которые можно использовать, если один из остальных будет потерян. Для перемещения атомов между этими областями используется конфигурация лазеров, называемая «оптическим пинцетом».

В новой рукописи компания показывает, насколько важно иметь запас свободных атомов. Для поддержания их состояния и удержания в ловушках необходимо использовать лазеры для охлаждения атомов, которые имеют тенденцию нагреваться во время работы. Охлаждение — медленный процесс, но если его не проводить, горячие атомы могут выскочить из лазерных ловушек, удерживающих их в сетке, что, очевидно, приводит к ошибкам.

Таким образом, Atom оказался в своего рода замкнутом круге: ему нужно было выполнять операции для коррекции ошибок, но эти операции повышали вероятность возникновения ошибок.

Решение заключалось в том, что было установлено, что измерения, необходимые для коррекции ошибок, можно проводить таким образом, чтобы заменить запасной, предварительно охлажденный атом в логическом кубите. Тестирование путем многократного измерения состояния логического кубита (связанной совокупности кубитов, хранящих данные и обнаруживающих ошибки) показало, что это существенно меняет ситуацию. Выполнение коррекции ошибок на логическом кубите без замены на холодные атомы приводило к увеличению вероятности ошибки с каждым последующим измерением. Замена же поддерживала вероятность ошибки примерно постоянной во времени.

Это не означает, что кубит с исправленными ошибками был полностью стабилен. В конце концов, одна из неизбежно возникавших ошибок не поддавалась исправлению, поскольку слишком много его отдельных атомов одновременно меняли состояние. Но выполнение обычной коррекции ошибок могло поддерживать стабильность некоторых из этих логических кубитов до 90 итераций.

Опять же, этого недостаточно для каких-либо сложных вычислений. Но это гораздо ближе к цели, чем было до того, как компания разработала этот метод.

Исправление: в предыдущей версии этого отчета по ошибке была включена информация, находящаяся под эмбарго.

Источник: arstechnica.com