Основные выводы:
- Смягчение квантовых ошибок и исправление ошибок расширяют путь к полезным квантовым вычислениям еще до появления полноценных отказоустойчивых квантовых компьютеров, при этом новые методы исправления ошибок уже демонстрируют эффективные показатели частоты ошибок, которые примерно в 10 раз ниже, чем у базового физического оборудования.
- Гибридные методы исправления ошибок могут повысить надежность, одновременно сокращая ресурсы, необходимые для полезных вычислений. Текущие результаты показывают 63-кратное снижение предполагаемых накладных расходов на выборку по сравнению с использованием только методов смягчения ошибок.
- Условные методы позволяют частично отказоустойчивым архитектурам достичь универсальных квантовых вычислений, избегая при этом некоторых значительных накладных расходов на ресурсы, характерных для традиционных отказоустойчивых подходов.
- Иерархические коды обеспечивают путь к существенному снижению частоты ошибок без необходимости усложнения чипа, что облегчает физические и инженерные требования для достижения триллионов операций.
- Платформа IBM Quantum и Qiskit предоставляют специалистам по квантовой информации доступ к каждому уровню стека, от возможностей на уровне импульсов до компиляции и выполнения, что открывает новые подходы к исправлению квантовых ошибок и характеризации устройств.
Смягчение квантовых ошибок и исправление квантовых ошибок часто рассматриваются как инструменты для разных эпох квантовых вычислений: смягчение — для устройств ближайшего будущего, а исправление — для масштабируемой отказоустойчивости. Однако на практике мы видим непрерывный путь от смягчения ошибок к их исправлению. Оптимизация в рамках спектра методов исправления ошибок является ключом к переходу от доверенных квантовых вычислений к приложениям, имеющим значение для всего мира.
Устранение ошибок в квантовых вычислениях обычно предполагает компромисс между временем (выборками) и пространством (кубитами). Наиболее эффективным по времени способом устранения ошибок является исправление квантовых ошибок, при котором квантовая информация кодируется в логические кубиты, чтобы ошибки можно было исправить во время или после выполнения схемы. Хотя полное исправление квантовых ошибок может обеспечить надежные вычисления за один проход, оно сопряжено со значительными накладными расходами на кубиты и вентили. По этой причине оно требует более сложного оборудования, чем доступно сегодня — оборудования с более низкими показателями ошибок, связями на больших расстояниях и декодерами реального времени.
На другом конце континуума находится смягчение ошибок, при котором схемы запускаются многократно для уменьшения или устранения влияния шума. Эти повторяющиеся выборки влекут за собой затраты, которые растут экспоненциально по отношению к уровню шума в системе — накладные расходы, которые можно уменьшить за счет интеграции классических высокопроизводительных вычислений (HPC). Методы смягчения ошибок, такие как затененные световые конусы, поглощение распространяющегося шума и смягчение ошибок с помощью тензорных сетей, позволяют обменять смещение и время классического выполнения на снижение затрат на квантовую выборку, что позволяет смягчать ошибки в схемах большего объема при фиксированных показателях ошибок.
Недавно методы смягчения ошибок, такие как вероятностная отмена ошибок (PEC), позволили исследователям выполнять на современном квантовом оборудовании вычисления, недоступные для классической проверки, одновременно подтверждая точность результатов, что открывает новую эру квантового преимущества за счет доверенных вычислений. Изучая и проверяя репрезентативную модель шума, мы можем быть уверены, что смягчение ошибок дает нам объективные результаты.
По мере перехода от вычислений на физических кубитах к логическим вычислениям коды исправления квантовых ошибок будут устранять ошибки более эффективно, но не полностью. Поэтому планирование пути к полезным квантовым вычислениям требует сочетания методов смягчения, обнаружения и исправления ошибок для достижения оптимального баланса между возможностями оборудования и затратами. В конечном счете, для полезных квантовых вычислений важно не то, что составляет логический кубит, а размер схемы, которую вы можете запустить с помощью доступных инструментов исправления ошибок.
Изучите континуум от смягчения ошибок до исправления ошибок самостоятельно с помощью учебных пособий и образовательных ресурсов на платформе IBM Quantum. Новые пользователи могут создать бесплатную учетную запись и начать работу уже сегодня.
Гибридные методы QEC/QEM: мост к 100 млн операций
Традиционное исправление квантовых ошибок требует больших пространственных ресурсов, поскольку оно кодирует квантовую информацию в большее количество кубитов, чем может быть доступно при текущих технологиях. Чтобы преодолеть разрыв между квантовыми компьютерами со смягчением ошибок и отказоустойчивыми квантовыми компьютерами, нам нужны эффективные с точки зрения оборудования реализации методов исправления ошибок. Пространственно-временные коды предлагают такой подход, распределяя легковесные проверки Паули как в пространстве, так и во времени в квантовой схеме, чтобы их можно было реализовать на современном квантовом оборудовании.
Исправление квантовых ошибок с пост-селекцией на основе пространственно-временных кодов использует вспомогательные кубиты для кодирования и выполнения вычислений в другом векторном пространстве, отличном от пространства исходных кубитов, что дает нам логическую схему. Когда выполнение на оборудовании не удовлетворяет всем легковесным проверкам Паули, оно помечается как содержащее ошибки и отбрасывается. Этот метод предлагает способ устранения ошибок с накладными расходами на выборку, которые в четыре раза лучше, чем у PEC, что делает его полезным инструментом для запуска все более сложных схем.
С этой целью недавняя демонстрация, кодирующая 64 логических кубита в пространственно-временных кодах с использованием 76 физических кубитов, дополненных 314 T-вентилями, привела к примерно 10-кратному эффективному улучшению частоты ошибок вентилей после пост-селекции синдромов для сложной для моделирования схемы с 2336 CZ-вентилями, при этом сохраняя нижнюю границу точности 0,349 с доверительным интервалом 95%. Инструментарий с открытым исходным кодом Qiskit Paulice позволяет исследователям начать внедрение этого протокола уже сегодня, чтобы они могли экспериментировать с компромиссами ресурсов для повышения точности выборочных распределений. Прочитайте наш недавний блог, чтобы узнать больше о Qiskit Paulice.
Хотя пост-селекция упрощает модель шума, она не устраняет ошибки полностью — часть шума все еще ускользает от проверок симметрии. Новый препринт показывает, что сочетание этого протокола обнаружения ошибок с PEC может противодействовать квантовому шуму более эффективно, чем любой из этих методов по отдельности, при этом позволяя получать сходящиеся ожидаемые значения с гораздо меньшим количеством запусков, чем требуется для одного только PEC. Накладывая исправление квантовых ошибок с пост-селекцией на PEC, исследователи могут изучить потенциал гибридных подходов QEC/QEM для масштабирования экспериментов по достижению превосходства до практических приложений еще до достижения полной отказоустойчивости. Получите доступ к учебному пособию, чтобы попробовать это самостоятельно.
Те же принципы применимы, когда мы работаем на уровне логических кубитов. Коды исправления квантовых ошибок устраняют ошибки лишь до определенного предела, зависящего от расстояния кода и шума в оборудовании. Изучая остаточный шум, влияющий на схему, мы рассчитываем добиться более высокой производительности от логических кубитов.
IBM предоставляет стек квантовой коррекции ошибок для проведения экспериментов с методами смягчения, обнаружения и исправления ошибок. Мы обеспечиваем глубокий уровень доступа, выходящий за рамки обычных вентилей и измерений. Эти возможности на уровне импульсов включают управление таймингом импульсов, доступ к пользовательским калибровкам для отдельных вентилей и получение «мягкой» информации от измерений, выходящей за рамки бинарной классификации.
С помощью динамической развязки пользователи могут добавлять последовательности импульсов к простаивающим кубитам, чтобы переворачивать их вокруг сферы Блоха, нейтрализуя эффект шумовых каналов. Динамические схемы, сочетающие классическую обработку в реальном времени с промежуточными измерениями и операциями с прямой связью, обеспечивают непрерывную адаптацию на основе результатов измерений, полученных во время выполнения схемы, что позволяет применять корректирующие действия в режиме реального времени. Эта инфраструктура управления уже доступна через IBM Quantum Compute Service, чтобы исследователи могли начать изучение уже сегодня. Узнайте больше о динамических схемах в нашей документации.
Кроме того, наша модель направленного выполнения теперь обеспечивает еще больше контроля и прозрачности — без ущерба для производительности. Модель направленного выполнения, выпущенная в качестве бета-сервиса в конце прошлого года, сделала смягчение ошибок настраиваемым на стороне клиента, чтобы обеспечить экспериментирование с передовыми возможностями смягчения ошибок. Теперь интерфейс становится еще более гибким, добавляя инструменты для оптимизации общих задач, таких как отладка и изучение шума, при этом используя среду выполнения, которая позволяет эффективно выполнять схемы на крупных системах.
При использовании в сочетании с такими пакетами, как qiskit-noise-learning, qiskit-mitigation и Samplomatic, модель направленного выполнения позволяет специалистам по квантовой информации разрабатывать пользовательские протоколы изучения шума, внедрять модульные стратегии смягчения ошибок и настраивать рандомизацию выборок соответственно. Кроме того, исследователи теперь могут использовать примитив Executor для возврата информации о состоянии вместе с результатами ядер (известными как IQ-точки), раскрывая «мягкую» информацию о результатах измерений.
Предоставляя доступ к более богатым данным измерений, эта возможность открывает новые направления исследований в области квантовой коррекции ошибок и характеризации устройств. Исследователи могут выйти за рамки бинарных результатов измерений, чтобы включить информацию о достоверности в декодирование, проверку состояния и анализ утечек, открывая более сложные подходы к пониманию и улучшению квантовых систем.
Условная квантовая коррекция ошибок
По мере того как мы начинаем выполнять вентили на логическом уровне, ошибки вентилей Клиффорда становятся дешевыми для смягчения, в то время как операции, не относящиеся к Клиффорду (например, T-вентили), обходятся дороже. Типичные подходы к реализации отказоустойчивых T-вентилей опираются на инъекцию магических состояний и дистилляцию магических состояний, что требует аппаратной сложности, вероятно, недоступной до наступления эры отказоустойчивости. Методы условной квантовой коррекции ошибок предлагают промежуточный этап на пути к полной коррекции ошибок, позволяя условно применять коды квантовой коррекции ошибок на основе информации о шумовом канале.
Например, одно перспективное направление исследований изучает структуру для реализации закодированных схем Клиффорда + T путем защиты вентилей Клиффорда с помощью коррекции ошибок, а затем смягчения ошибок от зашумленных закодированных T-вентилей. Это достигается с помощью метода квазивероятностей, в котором зашумленный квантовый компьютер имитирует квантовый компьютер без шума, выдавая правильные ожидаемые значения наблюдаемых величин измерений. Поскольку только T-вентили требуют смягчения ошибок, накладные расходы на смягчение становятся гораздо более управляемыми, что повышает потенциал ранних машин с коррекцией ошибок для выполнения полезных квантовых вычислений.
Второе направление исследований рассматривает вопрос о том, можно ли ослабить требования к трансверсальным вентилям — операциям, распространенным в отказоустойчивых квантовых вычислениях, — чтобы избежать накладных расходов на синтез вращений, фабрики магических состояний и маршрутизацию телепортации. Вместо того чтобы настаивать на том, чтобы трансверсальные вентили применялись идеально каждый раз, этот подход использует слабые трансверсальные вращения, которые разрешаются условно на основе измерения синдромов кода. Вращения реализуются непосредственно на закодированных кубитах, что позволяет отбрасывать неверные ветви синдромов или повторять их до успеха. Выполняя вентили вращения более естественно и параллельно, избегая при этом многих накладных расходов на дистилляцию магических состояний, этот метод может сократить время выполнения в десятки-сотни раз по сравнению с обычными подходами Клиффорда + T, открывая новый путь к отказоустойчивым квантовым вычислениям с гораздо меньшими накладными расходами.
Иерархическая квантовая коррекция ошибок
Продвигаясь по континууму QEC, алгебраические коды опираются на математические структуры, такие как полиномы, векторные пространства и конечные поля, для защиты квантовой информации, обеспечивая при этом более простое декодирование и меньшее количество кубитов. Хотя алгебраические коды могут стать громоздкими для крупных квантовых систем, для которых коды qLDPC предлагают более привлекательный вариант, они представляют много потенциальных преимуществ в качестве внешних кодов в иерархических архитектурах QEC.
Конкатенированные (иерархические) коды накладывают алгебраические коды поверх кодов qLDPC, расширяя защиту кодов qLDPC без необходимости в более крупных модулях. При таком подходе собственные логические операции внутреннего кода обеспечивают дальнюю связность, необходимую внешнему коду, — таким образом, связность исходит от кода, а не от дополнительного оборудования. Этот компромисс ослабляет основное инженерное ограничение при умеренных накладных расходах: конкатенация квантовых кодов Рида-Соломона поверх высокоскоростного внутреннего кода достигает режима 10 логических операций с физической частотой ошибок 10, используя модуль со значительно сниженной инженерной сложностью.
Хотя иерархическая квантовая коррекция ошибок в реальном времени недоступна напрямую в системах текущего поколения, наша эталонная архитектура для квантово-центричных суперкомпьютеров показывает, как будущие системы могут обеспечить этот режим работы с использованием совместно расположенных классических систем, состоящих из процессоров, графических процессоров и/или специализированных ускорителей, взаимодействующих с QPU. Будучи программной границей между тесно связанным слоем реального времени и остальной архитектурой системы, API IBM Quantum Systems будет способствовать возможности запуска своевременной обратной связи от измерений синдромов или между слоями иерархии кодов. По мере развития этой архитектуры, углубляющей интеграцию между квантовыми и классическими вычислительными системами, она будет все больше поддерживать исследования гибридных схем коррекции ошибок и внешних кодов для иерархической коррекции ошибок.
Наша путеводная звезда — отказоустойчивость.
От смягчения ошибок до их исправления существует целый спектр методов, готовых к изучению для развития полезных квантовых вычислений еще до достижения полной отказоустойчивости. IBM предоставляет платформу, необходимую для оптимизации компромиссов в этом спектре и повышения надежности вычислений, поддерживая переход от методов обработки ошибок, требующих большого количества выборок, но меньшего числа кубитов, к методам, требующим большого числа кубитов, но меньшего количества выборок. Даже в эпоху отказоустойчивых квантовых вычислений мы ожидаем, что смягчение ошибок и пост-селекция будут работать совместно с qLDPC-исправлением ошибок, обеспечивая более высокую логическую производительность на том же оборудовании.
Отказоустойчивость остается нашей путеводной звездой, и мы продолжаем неуклонно продвигаться к созданию нашего первого отказоустойчивого квантового компьютера — IBM Quantum Starling. Тем временем наша недавно выпущенная система IBM Quantum Nighthawk r2 предлагает платформу для исследования квантового исправления ошибок в сочетании с возможностями Qiskit и сервиса IBM Quantum Compute Service. Включая компоненты из нашей дорожной карты по отказоустойчивости, такие как высокоскоростной независимый сброс кубитов, Nighthawk r2 ускоряет циклы обучения для создания критически важных физических элементов схем, тесно связанных с теми, что необходимы для аппаратных кодов.
Поскольку прогресс в области аппаратного и программного обеспечения позволяет выполнять доверенные квантовые вычисления посредством логического кодирования, сейчас важно то, какой сложности задачи можно решить с помощью доступных методов исправления ошибок. То, как именно эти возможности будут развиваться и интегрироваться для создания оптимального стека квантового исправления ошибок, остается открытым вопросом для сообщества. Вы можете изучить этот вопрос уже сегодня, используя инструменты Qiskit с открытым исходным кодом и расширенную модель направленного выполнения, доступную через сервис IBM Quantum Compute Service.
