Исследователи из IBM разработали технологию коррекции ошибок, призванную обеспечить целостность вычислений с использованием кубитов, или квантовых битов – основы квантовых вычислений. «Как и при обычных вычислениях, выявление и исправление ошибок данных – ключевой шаг к созданию полнофункционального квантового компьютера», – объявил менеджер группы квантовых вычислений и обработки информации IBM Джей Гамбетта.
Квантовые вычисления рассматриваются в качестве расширения традиционных границ применения компьютерных систем. Компания D-Wave Systems уже создала квантовый компьютер специального назначения, который может оказаться полезным для решения специализированных задач. В IBM хотят построить большой, «универсальный» квантовый компьютер, способный, подобно ПК и серверам, выполнять широкий круг приложений.
Сложность квантовых вычислительных систем и неустойчивость взаимодействия кубитов выводят коррекцию ошибок в ряд наиболее важных, но вместе с тем и сложных задач. В настоящее время исследователям удалось добиться результатов на ограниченном наборе кубитов, но в перспективе ставится задача перенести технологию коррекцию ошибок и на более крупные системы.
«Сейчас мы подошли к рубежу, когда нужно объединить имеющиеся наработки и перевести компьютеризацию в практическую плоскость, – указал Гамбетта. – Ближайшие несколько лет обещают быть очень интересными».
Переход к квантовым компьютерам – это один из путей дальнейшего развития вычислительной техники. Повышать вычислительную мощность и компактность процессоров, используя кремний и традиционные технологии, становится все труднее. Приходится учитывать физические и экономические ограничения. В квантовых компьютерах используются компоненты, которые отличаются от тех, что присутствуют в обычных компьютерах.
Обычные компьютеры предсказуемы по своей природе. Представление данных в виде нулей и единиц осуществляется здесь с помощью электрических транзисторов. Кубиты же используют свойства внутриатомных частиц. Перевод их в различные состояния подчинен законам квантовой механики. В отличие от обычного бита, который может содержать нуль или единицу, в кубите возможно хранение нуля и единицы одновременно. Такая технология, называемая суперпозицией, позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений параллельно, благодаря чему их вычислительная мощность заметно выше, чем у обычных компьютеров.
По оценкам Гамбетты, универсальному квантовому компьютеру может понадобиться 100 млн кубитов. Пока же в новейшем квантовом компьютере D-Wave Two, предназначенном для решения специальных задач, имеется 512 кубитов.
Между тем предсказать поведение и состояние кубитов после начала их взаимодействия в процессе обработки данных довольно сложно. Согласно теории квантовой механики, изучающей взаимодействие и поведение вещества на атомном и субатомном уровне, спрогнозировать, в каком состоянии — нуля или единицы — будет находиться кубит при проведении конкретных вычислений, невозможно. Кроме того, состояние кубитов может меняться под влиянием электромагнитного излучения, что в конечном итоге приводит к нарушению вычислительных циклов и к ошибкам в данных.
IBM проектирует квантовый компьютер подобно зданию. Строительные блоки – в данном случае массивы кубитов – выстраиваются горизонтально и вертикально. Сегодня в IBM научились одновременно распознавать ошибки данных различного рода в квадратном массиве из четырех кубитов. Ранее такое считалось невозможным. Распознаются, в частности, ошибки смены бита, когда ячейка памяти из состояния нуля переходит в состояние единицы или наоборот (то же самое возникает и в обычных чипах), а также ошибки смены фазы, характерные для суперпозиции кубитов.
Коррекция ошибок тестировалась на схеме из четырех кубитов в решетчатой структуре, которую IBM выстроила впервые. Благодаря возможности одновременно обнаруживать ошибки смены битов и смены фазы теперь можно связывать решетчатые структуры друг с другом для построения более крупного компьютера. А это имеет очень важное значение для масштабирования и повышения производительности.
«Теперь нам нужно взять этот квадрат и продемонстрировать умение распознавать и исправлять ошибки в больших масштабах», – отметил Гамбетта.
Назвать сроки появления универсального квантового компьютера Гамбетта отказался, он лишь указал, что исследователям предстоит пройти еще очень долгий путь и приложить немало усилий. В прошлом году в IBM заявили о намерении инвестировать в течение ближайших пяти лет в исследования, направленные на разработку квантовых компьютеров и когнитивных систем, 3 млрд долл.
Однако скорого появления квантового компьютера ждать не стоит. Квантовые компьютеры, по всей вероятности, будут применяться для масштабного моделирования при разработке лекарств и изучении окружающей среды. Сегодняшним суперкомпьютерам на решение таких задач понадобятся годы. «А проверять электронную почту и просматривать веб-страницы пользователи по-прежнему будут на обычных компьютерах, даже после появления квантовых», – подчеркнул Гамбетта.
Материалы исследований были опубликованы в журнале Nature Communications 29 апреля. Часть исследовательских работ финансируется правительственным агентством Соединенных Штатов Intelligence Advanced Research Projects Activity. Агентство финансирует также проектирование новых сверхпроводящих полупроводников, являющихся важным компонентом квантового компьютера.
