Технология квантовых вычислений IBM снижает уровень шумов и повышает точность

Повтор вычислений с различным уровнем шумов позволяет найти результат, который получился бы в условиях отсутствия шумов, что решает одну из главных проблем современных квантовых вычислений. Однако метод не устраняет проблему полностью.

Траектории одиночных кубитов, измеренные при разных уровнях шумов (красный, зеленый), используются для оценки траектории с уменьшенной ошибкой (синий)

IBM разработала технику, названную «экстраполяция с нулевыми шумами», которая смягчает шумы в квантовых вычислениях. Это может показаться нелогичным, но, повторяя вычисления с различными уровнями шумов, ученые IBM могут оценить, что вычислит квантовый компьютер в отсутствие шумов. По словам IBM, метод уменьшения ошибок улучшает результаты любого алгоритма, работающего в современных квантовых системах IBM Q.

Двоичные числа (биты) являются основными единицами информации в классических вычислениях, в то время как основой квантовых вычислений являются квантовые биты (кубиты). Биты всегда находятся в состоянии 0 или 1, а кубиты могут быть в 0, 1 или суперпозиции этих состояний. Квантовые вычисления используют кубиты для выполнения вычислений, которые были бы очень сложными для классического компьютера. Но физические квантовые компьютеры сильно «шумят», что приводит к ошибкам в вычислениях, и для них до сих пор нет коммерчески полезных алгоритмов.

Таким образом, смягчение ошибок и снижение шумов являются ключом к повышению полезности квантовых компьютеров. IBM заявляет, что ее метод «шумоподавления» повышает точность квантовых вычислений, включая эксперименты с машинным обучением. Самое главное, что все это достигается без необходимости улучшения физического оборудования.

Квантовая система IBM Q

Экстраполяция с нулевыми шумами

Вот как работает новая техника. Ученые IBM обнаружили, что повторение определенного вычисления с различными уровнями шумов позволяет им оценить, что квантовый компьютер будет вычислять в отсутствие шумов. В частности, микроволновые импульсы, используемые для выполнения квантовых операций на кубитах, «растягиваются во времени» для контролируемого усиления шумов.

Вычисления на шумной квантовой аппаратуре ограничены конкуренцией между декогеренцией (потеря квантовой когерентности или информации из системы в окружающую среду) и глубиной цепи (мера количества последовательных операций, выполняемых над процессором). Увеличение глубины контура может помочь создать более сложное квантовое состояние, но обычно подразумевает увеличение ошибок от декогеренции. Метод экстраполяции с нулевыми шумами смягчает эффект декогеренции, обеспечивая доступ к более сложным и точным вычислениям, которые выигрывают от увеличения глубины контура.

Ученые IBM утверждают, что экстраполяция с нулевыми шумами может быть использована для улучшения любых квантовых вычислений, основанных на ожидаемых значениях. В своей статье они продемонстрировали улучшения в точности квантового моделирования по сравнению со своим исследованием «Аппаратно-эффективный вариационный квантовый генератор малых молекул и квантовых магнитов», опубликованном в Nature в 2017 году. Также повысилась эффективность в решении задач бинарной классификации из статьи, которая была опубликована в Nature ранее в марте.

Тем не менее ученые допускают, что улучшения «не являются бесконечными и в конечном счете ограничены свойствами когерентности процессора». То есть увеличение шумов в частных случаях для уменьшения шумов в общем может дать лишь ограниченный результат.

Источник: VentureBeat