Payshanba kuni Microsoft kompaniyasining Azure Quantum guruhi kvant kompyuterlarida xatolarini tuzatish bo‘yicha aniq rejani ishlab chiqqanini e’lon qildi. Kompaniya o‘zining apparat ta’minoti ustida ish olib borayotgan bo‘lsa-da, Azure jamoasi hozirda bir nechta turli xil apparat qubit turlariga kirish imkoniyatini beruvchi platforma provayderi hisoblanadi. Shu sababli, ular bir nechta turli kvant hisoblash texnologiyalari (o‘zlarinikini istisno qilgan holda) uchun mos keladigan sxemani tanladilar. Kompaniyaning hisob-kitoblariga ko‘ra, ular tanlagan tizim har 1000 ta xatodan 1 tasi kuzatiladigan apparat qubitlaridan foydalanib, har 1 million ta xatodan 1 tasi kuzatiladigan mantiqiy qubitlar yaratishi mumkin.

Ushbu sxema matematik isbotlar va simulyatsiyalar orqali tavsiflangan bo‘lsa-da, u hali haqiqiy apparatda ishlashi ko‘rsatilmadi. Biroq, Microsoftning hamkorlaridan biri – Atom Computing, ushbu e’lonni o‘zining mashinasi kerakli barcha operatsiyalarni bajarishga qodirligini tavsiflash bilan birga olib chiqdi.

Ixtiyoriy bog‘lanishlar

Bugun Microsoft e’lon qilayotgan narsa bilan IBMning xatolarga chidamli kvant hisoblashga oid yaqinda yangilangan yo‘l xaritasi o‘rtasida o‘xshashliklar va farqlar mavjud. IBM holatida, u ham xato tuzatishni amalga oshiradigan dasturiy ta’minotni, ham uni amalga oshirish uchun zarur bo‘lgan apparat ta’minotini ishlab chiqaradi. U chip asosidagi apparat ta’minotidan foydalanadi, bunda qubitlar o‘rtasidagi bog‘lanishlar chip ishlab chiqarilganda o‘rnatilgan simlar orqali amalga oshiriladi. Xato tuzatish sxemalari qubitlar o‘rtasidagi bog‘lanishlarning juda aniq joylashuvini talab qilganligi sababli, IBM kvant xato tuzatish sxemasiga qaror qilganida, u ushbu sxemani amalga oshirish uchun kerakli simlarga ega chiplarni loyihalashtirishi mumkin.

Aksincha, Microsoftning Azure platformasi foydalanuvchilarga bir nechta turli kvant hisoblash kompaniyalari tomonidan ishlab chiqarilgan apparat ta’minotiga kirish imkoniyatini beradi, ularning har biri turli texnologiyalarga asoslangan. Ba’zilari, masalan, Rigetti va Microsoftning o‘z rejalashtirilgan protsessori, IBMga o‘xshash bo‘lib, ishlab chiqarish jarayonida qat’iy joylashuvga ega, shuning uchun ular faqat simli joylashuviga mos keladigan kodlarni ishlatishi mumkin. Ammo boshqalar, masalan, Quantinuum va Atom Computing tomonidan taqdim etilganlar, o‘z qubitlarini atomlarda saqlaydi, ularni harakatlantirish va ixtiyoriy tarzda ulash mumkin. Bu ixtiyoriy bog‘lanishlar xato tuzatish sxemalarining juda xilma-xil turlarini ko‘rib chiqishga imkon beradi.

Buni geometriyaga o‘xshashlik orqali tushunish foydali bo‘lishi mumkin. Chip tekislikka o‘xshaydi, bunda qo‘shni qubitlar o‘rtasida xato tuzatish uchun zarur bo‘lgan bog‘lanishlarni hosil qilish osonroq; uzoqroq bog‘lanishlar ham mumkin, ammo oson emas. Tuzoqli ionlar va atomlar esa ancha murakkab bog‘lanish shakllari mumkin bo‘lgan yuqori o‘lchamli tizimni ta’minlaydi. (Bu shunchaki analogiya. IBM o‘zining protsessor chiplarida uch o‘lchamli simlardan foydalanmoqda, Atom Computing esa barcha atomlarini bitta tekislikda saqlaydi.)

Microsoftning e’loni yanada murakkab, ixtiyoriy bog‘lanishlarni shakllantira oladigan protsessor turlariga qaratilgan. Va ular buni to‘liq ishlatmoqda, to‘rt o‘lchamli giperkubni hosil qiluvchi bog‘lanishlarga ega xato tuzatish tizimini yaratmoqda. "Biz to‘rt o‘lchamli kodlarga juda e’tibor qaratdik, chunki ular hozirgi va yaqin kelajakdagi apparat loyihalariga mos keladi," dedi Microsoftdan Krysta Svore Ars Technica’ga.

Bu kod nafaqat qubitlarning joylashuvini va ularning bog‘lanishlarini, balki har bir apparat qubitining maqsadini ham tasvirlaydi. Ba’zilari kodning bitta blokida saqlanadigan mantiqiy qubit(lar)ning qiymatini saqlab qolish uchun ishlatiladi. Boshqalari "zaif o‘lchovlar" deb ataladigan jarayon uchun ishlatiladi. Bu o‘lchovlar bizga ma’lumotni saqlayotganlarning holati haqida ba’zi ma’lumotlarni beradi – ularning qiymatlarini bilish uchun yetarli emas (bu o‘lchov chigallikni tugatadi), ammo biror narsa o‘zgarganmi yoki yo‘qmi, shuni bilish uchun yetarli. O‘lchovning detallari asl qiymatni tiklaydigan tuzatishlar kiritishga imkon beradi.

Microsoftning xato tuzatish tizimi kompaniya yaqinda e’lon qilgan oldindan nashr qilingan maqolada tasvirlangan. U bir-biriga bog‘liq geometriyalar oilasini o‘z ichiga oladi, ularning har biri qancha bir vaqtda sodir bo‘lgan xatolarni aniqlay olishiga va tuzata olishiga qarab, turli darajadagi xato tuzatishni ta’minlaydi. Tavsiflar murakkab matematika va geometriya uchun kutilganidek – "HNF L bo‘lgan Λ panjara berilgan bo‘lsa, 4D geometrik C_Λ kodining kod fazosi 4-torus T⁴_Λ ning ikkinchi gomologiyasi H₂(T⁴_Λ,F₂) tomonidan hosil qilinadi" – ammo asosiy g‘oya shuki, ularning barchasi fizik qubitlar to‘plamlarini xatolarini tuzatish mumkin bo‘lgan oltita mantiqiy qubitga aylantiradi.

Ushbu oltita mantiqiy qubitni joylashtirish uchun qancha ko‘p apparat qubitlari qo‘shilsa, ularning har biri shuncha ko‘p xato himoyasiga ega bo‘ladi. Bu muhim, chunki ba’zi murakkabroq algoritmlar Svore Microsoftning afzal ko‘rgan versiyasi ta’minlaydigan bir milliondan bir himoyadan ko‘proq himoyaga muhtoj bo‘ladi. Ushbu afzal ko‘rilgan versiya Hadamard versiyasi deb ataladi, u oltita mantiqiy qubitni hosil qilish uchun 96 ta apparat qubitini birlashtiradi va sakkizta masofaga (masofa bir vaqtda qancha xatoga chidamliligini o‘lchaydi) ega. Buni IBMning e’loni bilan taqqoslash mumkin, u 12 ta mantiqiy qubitni 12 masofada joylashtirish uchun 144 ta apparat qubitidan foydalangan (ya’ni, ko‘proq apparat, lekin ko‘proq mantiqiy qubit va kattaroq xatoga chidamlilik).

Boshqa muhim afzalliklar

Geometriyaning o‘zi unchalik hayajonli emas. Ammo Microsoft bu xato tuzatish kodlari oilasi bir nechta muhim afzalliklarga ega ekanligini ta’kidlaydi. "Ushbu oiladagi barcha kodlar 'bir martalik' deb ataladi," dedi Svore. "Va bu shuni anglatadiki, shovqin haqida ma’lumot olishning juda kam doimiy sonli raundlari bilan xatolarni aniqlash va tuzatish mumkin. Bu barcha kodlar uchun to‘g‘ri emas."

Xatolarni aniqlash uchun zarur bo‘lgan o‘lchovlar sonini cheklash muhimdir. Birinchidan, o‘lchovlarning o‘zi xatolar keltirib chiqarishi mumkin, shuning uchun ularning sonini kamaytirish tizimni yanada mustahkam qiladi. Bundan tashqari, neytral atom kompyuterlarida atomlar o‘lchovlar amalga oshiriladigan aniq joylarga ko‘chirilishi kerak, va o‘lchovlar ularni qizdiradi, shuning uchun ular sovutilmaguncha qayta ishlatilmaydi. Shunday qilib, zarur o‘lchovlarni cheklash apparat ta’minotining ishlashi uchun juda muhim bo‘lishi mumkin.

Qoralamadagi maqolada tasvirlangan ushbu sxemaning ikkinchi afzalligi shundaki, siz ushbu sxemalar joylashtirgan mantiqiy qubitlarda kvant hisoblash uchun zarur bo‘lgan barcha operatsiyalarni bajarishingiz mumkin. Xuddi oddiy kompyuterlardagi kabi, kvant kompyuterida bajariladigan barcha murakkab hisob-kitoblar bir nechta oddiy mantiqiy operatsiyalardan tashkil topadi. Ammo har qanday mumkin bo‘lgan mantiqiy operatsiya berilgan xato tuzatish sxemasi bilan yaxshi ishlamaydi. Shuning uchun xato tuzatish sxemasining universal kvant hisoblashni ta’minlash uchun yetarli darajada kichik operatsiyalar bilan mos kelishini ko‘rsatish oson emas.

Shunday qilib, maqola ba’zi mantiqiy operatsiyalarni qanday nisbatan oson bajarish mumkinligini, boshqalari esa ishlashi uchun xato tuzatish sxemasini manipulyatsiya qilishni talab qilishini tasvirlaydi. (Bu manipulyatsiyalar panjara jarrohligi va sehrli holat distillatsiyasi kabi nomlarga ega, bu soha o‘zini unchalik jiddiy qabul qilmasligining yaxshi belgilaridir.)

Xulosa qilib aytganda, Microsoft juda ixcham, fotonlar, atomlar yoki tuzoqli ionlarda qubitlarni saqlaydigan apparatda samarali amalga oshirilishi mumkin bo‘lgan va universal hisoblashni ta’minlaydigan xato tuzatish sxemasini aniqlaganini his qilmoqda. Biroq, ular uning haqiqatan ham ishlashini ko‘rsata olmadi. Chunki ularda hozirda kerakli apparat ta’minoti mavjud emas. Azure IonQ va Quantinuum kompaniyalarining tuzoqli ion mashinalarini taklif qiladi, ammo ularning quvvati 56 qubit bilan cheklangan – bu ularning afzal ko‘rgan 4D kodlarining 96 ta talabidan ancha past. Ular eng katta kirish imkoniyatiga ega bo‘lgan mashina PASQAL kompaniyasining 100 qubitli mashinasidir, bu 96 ta qubit talabiga zo‘rg‘a mos keladi va xatolar uchun joy qoldirmaydi.

Xuddi shu oiladagi kodlarning kichikroq versiyalarini sinovdan o‘tkazish mumkin bo‘lsa-da, Azure jamoasi allaqachon giperkublarga asoslangan xato tuzatish kodlari bilan ishlash qobiliyatini namoyish etgan, shuning uchun bu yondashuvdan biror foyda bor-yo‘qligi aniq emas.

Ko‘proq atomlar

Aksincha, ular boshqa hamkor – Atom Computing kompaniyasining Microsoft bilan hamkorlikda loyihalashtirayotgan navbatdagi avlod mashinasini kutayotgan ko‘rinadi. "Atom Computing va Microsoft o‘rtasida birgalikda qurayotgan ushbu birinchi avlod zamonaviy kvant imkoniyatlarini o‘z ichiga oladi, 1200 ta fizik qubitga ega bo‘ladi," dedi Svore. "Va keyin ushbu mashinaning keyingi yangilanishi 10 000 dan ortiq qubitga ega bo‘ladi. Va shunday qilib, siz yuzdan ortiq mantiqiy qubitga ega bo‘lishingiz mumkin, chuqurroq va ishonchli hisoblash imkoniyati mavjud bo‘ladi."

Shunday qilib, bugungi e’lon Atom Computing kompaniyasining "o‘rta davrali o‘lchov" deb ataladigan jarayonga qaratilgan taraqqiyot hisoboti bilan birga keldi. Odatda, kvant hisoblash algoritmlari davomida siz butun hisob-kitob tugallanmaguncha qubitlarning qiymatini o‘lchashdan o‘zingizni tiyishingiz kerak. Buning sababi, kvant hisob-kitoblari chigallik va har bir qubitning ikkita qiymati o‘rtasidagi superpozitsiya kabi narsalarga bog‘liq; o‘lchovlar bularning barchasining qulashiga olib kelishi mumkin, aniq qiymatlar hosil qilib, chigallikni tugatadi.

Biroq, kvant xato tuzatish sxemalari hisob-kitob jarayonida ba’zi apparat qubitlarining bir necha marta zaif o‘lchovlardan o‘tishini talab qiladi. Bular hisob-kitobning o‘rtasida amalga oshiriladigan kvant o‘lchovlaridir – ya’ni o‘rta davrali o‘lchovlar. Apparat ta’minoti Microsoft kutgan vazifani bajarishga qodirligini ko‘rsatish uchun kompaniya oddiy xato tuzatish kodini amalga oshiradigan qubitlarda o‘rta davrali o‘lchovlarni namoyish etishga qaror qildi.

Jarayon neytral atomlar bilan shunday qilishdan farq qiladigan bir nechta muhim xususiyatlarni ochib beradi. Birinchidan, xato tuzatish uchun ishlatilayotgan atomlar boshqa hech narsani bezovta qilmasdan o‘lchash mumkin bo‘lgan joyga – o‘lchov zonasiga ko‘chirilishi kerak. Keyin, o‘lchov odatda atomni biroz qizdiradi, ya’ni ularni keyinchalik sovutish kerak. Bu jarayonlarning hech biri mukammal emas, shuning uchun ba’zan atom yo‘qoladi va uni zaxira atomlar havzasidan boshqasi bilan almashtirish kerak bo‘ladi. Nihoyat, atomning qiymatini qayta o‘rnatish kerak va u mantiqiy qubitdagi o‘z joyiga qaytarilishi kerak.

Sinovlar shuni ko‘rsatdiki, har bir siklda atomlarning taxminan 1 foizi yo‘qoladi, ammo tizim ularni muvaffaqiyatli almashtiradi. Aslida, ular shunday tizimni o‘rnatdilar-ki, o‘lchov siklida atomlarning butun to‘plami tasvirga olinadi va yo‘qolgan har qanday atom avtomatlashtirilgan tizim tomonidan aniqlanadi va almashtiriladi.

Umuman olganda, bu tizimlarning barchasi mavjud bo‘lmagan holda, ushbu apparatda qubitning aniqligi taxminan 98 foizni tashkil etadi. Xato tuzatish yoqilgan holda, hatto bu oddiy mantiqiy qubitning aniqligi 99,5 foizdan oshdi. Bularning barchasi ularning navbatdagi kompyuteri Microsoftning xato tuzatish sxemasining ba’zi muhim sinovlariga tayyor bo‘lishini anglatadi.

Lazerlarni kutish

Asosiy savollar shundaki, u qachon chiqariladi va undan keyingi, haqiqiy hisob-kitoblarni bajara oladigan vorisi qachon chiqadi? Bu qiyin savol, chunki ba’zi boshqa kvant hisoblash texnologiyalaridan ko‘ra, neytral atom hisoblash kompyuterlarni quradigan odamlar tomonidan ishlab chiqarilmaydigan narsaga: lazerlarga bog‘liq. Ushbu tizim haqidagi hamma narsa – atomlarni joyida ushlab turish, ularni harakatlantirish, o‘lchash, manipulyatsiyalarni bajarish – lazer yordamida amalga oshiriladi. Lazerning shovqini qancha past bo‘lsa (chastota siljishi va energiya o‘zgarishlari kabi jihatlardan), uning ishlashi shuncha yaxshi bo‘ladi.

Shunday qilib, Atom o‘z ehtiyojlarini yetkazib beruvchilarga tushuntirib, ular bilan hamkorlik qila olsa-da, u ushbu sohadagi boshqa kompaniyalarga nisbatan o‘z taqdirini kamroq nazorat qiladi.