Квантовые компьютеры, несмотря на их так старательно рекламируемые преимущества, никогда не смогут выиграть у современных классических компьютеров, если они не обретут способность самостоятельно исправлять ошибки, разрушающие «хрупкие» квантовые состояния их квантовых битов, кубитов. И недавно, группа компании Google, занимающаяся исследованиями в области квантовых вычислений, продемонстрировала первую в мире систему, способную самостоятельно производить коррекцию возникающих ошибок, огромный шаг, который делает область квантовых вычислений гораздо ближе к ее практическому применению.

Данное достижение стало возможным благодаря переходу осенью 2014 года в компанию Google группы из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, которая в свое время разработала и изготовила систему квантовых сверхпроводящих схем, работающих с уровнем точности и надежности, достаточным для реализации технологии устранения ошибок.

«Это является первым случаем в истории информационных технологий, когда "естественные» ошибки, возникающие в результате воздействия на кубиты различных факторов окружающей среды, могут быть исправлены« – рассказывает Рэми Барендс (Rami Barends), инженер компании Rami Barends в области квантовой радиоэлектроники, – "Мы создали первое квантовое устройство, способное самостоятельно исправить возникающие при его работе ошибки»

Людям, интересующимся областью квантовых вычислений, хорошо известно, что основной проблемой, с которой сталкиваются создатели квантовых вычислительных систем, является необходимость сохранения квантового состояния кубитов в течение длительного времени.

Хрупкое квантовое состояние может быть нарушено вмешательством любого из достаточно большого набора внешних факторов, от которых полностью отгородиться не получается принципиально. Решением этой проблемы является квантовый код коррекции ошибок, основой которого является классический метод устранения ошибок, достаточно широко используемый в современной вычислительной технике.

Но, главной проблемой, с которой пришлось столкнуться исследователям, является то, что разработанный код коррекции не имеет возможность обнаружения возникшей ошибки прямым способом не нарушив квантового состояния кубитов. Исследователи обошли эту проблему, использовав в своих целях явление квантовой запутанности, при помощи которого один кубит может делиться информацией с другими кубитами посредством «призрачной» квантовой связи.

Корректирующий код, включенный в состав квантовой системы, измеряет значение квантового состояния кубита, запутанного с несколькими соседними кубитами, что позволяет удержать неизменным его исходное состояние.

Созданный код коррекции ошибок работает за счет использования определенного пространственного расположения кубитов, которое чем-то напоминает шахматную доску.

В белых квадратах этой доски располагаются информационные кубиты, задействованные в выполнении квантовых вычислительных операций, а в черных квадратах находятся «измерительные» кубиты, используемые для коррекции ошибок, возникающих в прилежащих информационных кубитах.

Для демонстрации технологии исследователи изготовили простое устройство, состоящее из девяти кубитов, упорядоченных в виде матрицы 3 на 3 элемента. И работа этой системы, точнее, работа корректирующего кода была проверена при помощи 90 тысяч специализированных вычислительных операций, что позволило собрать необходимое количество статистических данных.

«Это послужило доказательством тому, что потраченные на теоретические исследования годы не прошли впустую и практическая реализация технологий коррекции ошибок возможна» – рассказывает Джулиан Келли (Julian Kelly), инженер компании Google.

Еще одним достижением является то, что исследователи продемонстрировали, что показатели успешного устранения ошибок в квантовой системе увеличились с увеличением количества кубитов.

К примеру, уровень ошибок при работе системы с пятью кубитами, был 2.7 раз меньше уровня ошибок в системе с единственным кубитом. А разница в этих уровнях между системами с одним и девятью кубитами составила чуть более 8.5 раз.

«Это захватывающая новость для области квантовых вычислений. Все это указывает на то, что системы с большим количеством квантовых битов могут быть стабильными и не рухнут под напором лавины возникающих ошибок» – рассказывает Джулиан Келли, – «И это, в свою очередь, означает, что квантовые компьютеры, оперирующие большим количеством кубитов, все же могут быть созданы».