Все ошибаются — нужно сделать так, чтобы это не влияло на результат Рассказал Постнауке про реализацию квантовых кодов коррекции ошибок. Основные тезисы: 💡Шумы естественным образом возникают при взаимодействии квантовых систем с окружением. Начиная с самых ранних этапов развития квантовых вычислений, был актуален вопрос о том, насколько шумы и так называемая декогеренция будут влиять на результат работы квантового компьютера (см. работы Рольфа Ландауэра и Уильяма Унру). 💡Здесь важно понимать, что все компьютеры ошибаются. Привычные нам классические компьютеры тоже работают с ошибками. Просто мы научились настолько эффективно их корректировать, что даже не замечаем эффекта этих ошибок. Того же самого нам нужно добиться и в квантовых вычислениях. 💡Дальше эта дискуссия пошла по нескольким направлениям. Как ответ на эту дискуссию в середине 90-х годов появилась выдающаяся работа Питера Шора (автора одноименного алгоритма Шора), которая показала, что с использованием избыточного кодирования, когда одну единицу логической информации — так называемый логический кубит — кодируют в набор физических кубитов, можно сохранять и, как было показано позже, обрабатывать квантовую информацию, детектируя и даже эффективно корректируя ошибки. 💡Подход с избыточным кодированием был давно известен. Однако важное отличие от классических кодов коррекции ошибок — невозможность копировать промежуточные результаты вычислений в силу квантовой теоремы о невозможности клонирования. Кроме того, помимо ошибки типа смены 0 на 1 в квантовом случае еще есть «фазовая ошибка», когда, например, суперпозиция a*0+b*1 превращается в a*0-b*1 (а и b — комплексные числа). 💡Как можно представить работу кодов коррекции? Я люблю метафоры, давайте рассмотрим такую. Вы играете с друзьями в игру — даете сюжет рассказа не одному участнику в одной книге, а трём — распределяя его по трём книгам. Только они вместе знают точно сюжет, а каждый по отдельности — нет. Причем, чтобы корректно следовать сюжету, они должны синхронно, а не случайно, переворачивать страницы. Периодически вы можете проверять их, спрашивая, на какой странице они все находятся. И если сумма страниц, скажем, четная, то все хорошо. Нечетная — так вы детектируете ошибку и просите одного из участников перевернуть страницу, то есть корректируете её. 💡Со времен работы Шора, конечно, был достигнут колоссальный прогресс в развитии квантовых кодов коррекции ошибок. В 2020 году был специальный выпуск журнала Nature Reviews Physics, посвященный 25-летию квантовой коррекции ошибок. 💡Второе направление состояло в том, чтобы строить реальные квантовые компьютеры и экспериментально оценивать роль шумов на их работу. Большинство устройств, с которыми мы работаем по сей день, функционируют в условиях ошибок. Даже те устройства, которые показывали квантовое превосходство, подвержены существенному влиянию шумов. Для шумных квантовых компьютера рассматривают специальные классы квантовых алгоритмов. Смогут ли они быть использованы для достижения не тестового, а практического превосходства — неочевидно. 💡За последнее время эти два трека сошлись. Текущее поколение квантовых компьютеров используется для тестирования кодов коррекции ошибок, и по мере их развития планируется полноценное использование. Отказоустойчивый квантовый компьютер — это, неформально, квантовый компьютер, который, находясь в условиях шумов, организует свою работу так, чтобы эти шумы не оказывали существенного влияния на результаты вычислений. 💡Повторюсь, основной методологический подход здесь — избыточное кодирование, когда один логический кубит кодируется в некоторое количество физических кубитов. 💡На сегодняшний день прогресс в этом направлении довольно существенный. Уже была показана возможность хранить состояние, то есть создавать логические кубиты с временем жизни, которое больше времени жизни отдельных физических кубитов, а также проводить логические операции и даже реализовывать небольшие квантовые алгоритмы с осмысленными вычислениями в отказоустойчивом режиме. Здесь отмечу работы компании Google и Quantinuum.