Квантовый прорыв: компактный компьютер с коррекцией ошибок обещает революцию в вычислениях

Канадский стартап Nord Quantique разработал прорывной квантовый бит со встроенной коррекцией ошибок, который обещает значительно сократить размер и энергопотребление квантовых компьютеров. Компания планирует выпустить компактную машину на 1000 логических кубитов к 2031 году, способную превзойти суперкомпьютеры по скорости и эффективности, сообщает Live Science.

Исследователи из канадского стартапа Nord Quantique заявляют, что квантовые компьютеры, способные превзойти самые быстрые современные суперкомпьютеры, не обязательно должны быть такими большими или энергозатратными, как считалось ранее.

Компания создала квантовый бит (кубит) со встроенной коррекцией ошибок, что устраняет необходимость в больших кластерах физических кубитов, обычно требуемых для отказоустойчивых квантовых вычислений.

Nord Quantique планирует к 2031 году масштабировать эту конструкцию до машины с 1000 логических кубитов. Исследователи утверждают, что система будет достаточно компактной, чтобы поместиться в центре обработки данных, и потребует гораздо меньше энергии, чем существующие платформы.

Анонс последовал за рубежом 2024 года, когда компания продемонстрировала рабочий прототип своего «бозонного кубита» — устройства, которое интегрирует квантовую коррекцию ошибок непосредственно в свое оборудование. В заявлении представители Nord Quantique описали новую архитектуру как «первую в прикладной физике» и практический путь к масштабируемым квантовым машинам утилитарного класса. Прорыв решает давнюю проблему в квантовых вычислениях: сохранение целостности квантовой информации с течением времени.

Квантовые биты чрезвычайно чувствительны к теплу, вибрации и электромагнитным помехам — даже при охлаждении, близком к абсолютному нулю (–273°C). Большинство квантовых платформ решают эту проблему с помощью квантовой коррекции ошибок, которая объединяет множество физических кубитов в единое логическое устройство, способное поглощать и исправлять ошибки посредством избыточности, так что любой единичный сбой не стирает все вычисления.

Однако создание одного логического кубита традиционно требует десятков или даже сотен физических кубитов, что значительно увеличивает размер, сложность и энергозатраты квантового компьютера. Система Nord Quantique избегает этого, используя один физический компонент для выполнения роли логического кубита.

Квантовые вычисления в безопасном режиме

В основе конструкции лежит сверхпроводящая алюминиевая полость, известная как бозонный резонатор, охлажденная почти до абсолютного нуля. Эта полость содержит частицы света (фотоны), которые хранят квантовую информацию в определенных электромагнитных узорах, сформированных внутри резонатора. Эти узоры, известные как «моды», представляют собой разные способы, которыми поле резонирует внутри полости, позволяя параллельно кодировать одно и то же квантовое состояние.

Распределяя информацию по нескольким режимам в пределах одной физической структуры, кубит может идентифицировать и исправлять определенные типы помех. Если один режим нарушен, другие предоставляют достаточно контекста для восстановления правильного состояния. Этот метод, известный как многомодовое кодирование, обеспечивает каждому кубиту внутреннюю отказоустойчивость, снижая необходимость во внешней коррекции ошибок и обеспечивая соотношение 1:1 между физическими и логическими кубитами.

Исследователи подсчитали, что машина с 1000 логическими кубитами, построенная на этой архитектуре, будет занимать всего 20 квадратных метров и потреблять лишь малую часть энергии, потребляемой сегодняшними высокопроизводительными системами.

Они также подсчитали, что квантовый компьютер, построенный с использованием их архитектуры, может взломать 830-битный ключ шифрования RSA за час, потребляя всего 120 киловатт-часов энергии. Для сравнения: суперкомпьютеру потребовалось бы девять дней и 280 000 киловатт-часов, чтобы решить ту же задачу, заявили они.

«Количество физических кубитов, выделенных для квантовой коррекции ошибок, всегда представляло серьезную проблему для нашей отрасли, — заявил в своем заявлении Жюльен Камиранд Лемир, генеральный директор Nord Quantique. — Многомодовое кодирование позволяет нам создавать квантовые компьютеры с превосходными возможностями коррекции ошибок, но без препятствий в виде всех этих физических кубитов».

Чтобы сделать систему более отказоустойчивой, исследователи использовали «бозонный код», называемый кодом Tesseract. Это помогает защититься от распространенных квантовых ошибок, таких как перевороты битов, перевороты фаз, ошибки управления и утечки, когда кубит переходит в состояние, которое не является частью системы, используемой для хранения и обработки информации. Утечку трудно исправить, поскольку большинство методов исправления ошибок работают только внутри ожидаемого набора квантовых состояний и не могут обнаружить, когда что-то выходит за его пределы.

Чтобы проверить надежность системы, исследователи провели несколько раундов исправления ошибок и отфильтровали результаты, в которых кубит вел себя не так, как предполагалось.

По их словам, около 12,6% запусков были отфильтрованы. В оставшихся данных кубит сохранял свое состояние в течение 32 раундов исправления ошибок без измеримого распада, что говорит о том, что многомодовое кодирование может надежно сохранять квантовую информацию в стабильных условиях.

Nord Quantique планирует выпустить машину на 100 логических кубитов к 2029 году, а полную систему на 1000 кубитов намечено выпустить к 2031 году. 

«Помимо меньшего и более практичного размера, наши машины также будут потреблять лишь часть энергии, — сказал Камиранд Лемир. — Это делает их особенно привлекательными для HPC-центров [высокопроизводительных вычислений], где затраты на электроэнергию имеют первостепенное значение».

Источник: Live Science

#КвантовыйКомпьютер #КвантовыеВычисления #NordQuantique #ТехнологииБудущего #Энергоэффективность