Недавно, когда исследователи тестировали исправление ошибок на квантовом процессоре Google, они отметили странное явление, когда вся схема исправления ошибок время от времени приводила к серьезным сбоям. Они списали это на фоновое излучение, комбинацию космических лучей и случайный распад естественного радиоактивного изотопа.
В то время это казалось немного забавным – Google случайно заплатил за чрезвычайно дорогой детектор космических лучей. Но люди, стоящие за процессором, очень серьезно отнеслись к проблеме и вернулись с новой статьей, в которой подробно описано, как излучение влияет на кубиты. И они приходят к выводу, что проблемы, вызванные космическими лучами, случаются достаточно часто, чтобы квантовые вычисления с исправленными ошибками не работали, если мы не найдем способ ограничить влияние лучей.
Обидно за лучи
Космические лучи и радиоактивность также создают проблемы для классической вычислительной техники. Это потому, что классические компьютеры полагаются на перемещение и хранение зарядов, а космические лучи могут индуцировать заряды при столкновении с материалом. Кубиты, напротив, хранят информацию в форме квантового состояния объекта – в случае процессора Google, петли сверхпроводящего провода, соединенного с резонатором. Космические лучи влияют и на них, но механизм совершенно другой.
Воздействие космического луча также создает колебательную энергию, которая принимает форму так называемых фононов. Эти фононы также могут группироваться вместе, образуя квазичастицы, в которых небольшие наборы фононов группируются вместе и начинают вести себя как одна частица с различными свойствами. Именно эти квазичастицы вызывают хаос, поскольку они могут обмениваться энергией с оборудованием квантовых вычислений. Сюда могут входить куперовские пары электронов (другой тип квазичастиц), которые составляют основу сверхпроводимости. Или сам кубит, меняющий свое состояние и нарушающий любое запутывание.
Если бы эти фононы воздействовали только на один кубит, тогда ситуация не была бы проблемой – фактически, это была бы именно та вещь, с которой призвана справиться квантовая коррекция ошибок. Квантовая коррекция ошибок включает в себя распределение квантовой информации по нескольким запутанным кубитам, позволяя аппаратному обеспечению определять, когда один из кубитов ведет себя неправильно.
Проблема в том, что квазичастицы не останутся локализованными; вместо этого они должны распространяться по месту своего происхождения и в конечном итоге затрагивать несколько кубитов. И этого должно быть достаточно, чтобы помешать исправлению ошибок. Итак, некоторые из тех же людей, которые реализовали исправление ошибок в предыдущей статье, собрались с некоторыми физиками и решили посмотреть, действительно ли это происходит с оборудованием для квантовой обработки.
В фишках
Чтобы понять, что происходит, команда Google выбрала 26 кубитов на своем процессоре с наименьшей подверженностью ошибкам и установила их все в одном квантовом состоянии. Затем исследователи могли позволить процессору простаивать на короткое время и посмотреть, находятся ли кубиты в этом состоянии.
Попадания космических лучей было довольно легко идентифицировать. После простоя процессора в течение 100 микросекунд типичная частота фоновых ошибок составила около четырех из 26 кубитов. Когда случилось столкновение космического луча, около 24 кубитов оказались в состоянии ошибки, несмотря на то, что каждый кубит находился на расстоянии около миллиметра от своих соседей.
Чтобы подтвердить, что это связано с квазичастицами, исследователи искали зависимость от состояния. Ожидается, что квазичастицы быстро потеряют энергию и поэтому не смогут передать достаточно, чтобы поднять кубит из основного состояния в возбужденное состояние. Но они все еще могут поглощать энергию кубита, позволяя кубитам в возбужденном состоянии опускаться обратно в основное состояние. Итак, если квазичастицы опосредуют эти взаимодействия, вы ожидаете большего количества ошибок, когда все кубиты начинаются в возбужденном состоянии, чем когда все они начинаются в основном состоянии. И это именно то, что увидела исследовательская группа.
Поскольку квантовый процессор может очень быстро производить выборку состояний кубитов, команда может даже отслеживать разброс ошибок по процессору. Первоначально ошибки в основном ограничиваются кубитами, ближайшими к месту падения космических лучей. Но даже когда частота ошибок здесь начинает падать, кубиты, которые находятся дальше от точки столкновения, начинают видеть, что их частота ошибок возрастает по мере того, как фононы распространяются по чипу. Прежде чем все вернется в фоновый режим, каждый кубит в устройстве обычно испытывает рост средней частоты ошибок.
