Основные выводы:
- Как смягчение квантовых ошибок, так и исправление ошибок прокладывают путь к полезным квантовым вычислениям еще до появления полноценных отказоустойчивых квантовых компьютеров, причем новые методы исправления ошибок уже демонстрируют примерно 10-кратное снижение эффективных уровней ошибок по сравнению с базовым физическим оборудованием.
- 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 ресурсных затрат, характерных для традиционных отказоустойчивых подходов.
- Иерархические коды обеспечивают путь к существенному снижению уровней ошибок без необходимости усложнения чипа, что упрощает физические и инженерные требования для достижения триллионов операций.
- IBM Quantum Platform и Qiskit предоставляют ученым в области 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 требует значительных затрат кубитов и вентилей. По этой причине оно требует более сложного оборудования, чем доступно сегодня — оборудования с более низкими уровнями 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 относительно уровня 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 уровнях 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 превосходства 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 удалять ошибки более эффективно, но не полностью. Поэтому планирование пути к полезным квантовым вычислениям требует сочетания методов смягчения, обнаружения и исправления ошибок для достижения оптимального компромисса между возможностями оборудования и стоимостью. 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.
Исследуйте континуум от смягчения ошибок до исправления ошибок самостоятельно с помощью учебных пособий и образовательных ресурсов на IBM Quantum Platform. 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 проверки Паули с малым весом 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 исходных кубитов, что дает нам логическую схему. Когда выполнение на оборудовании не удовлетворяет всем проверкам Паули с малым весом, оно помечается как содержащее ошибки и отбрасывается. Этот метод предлагает способ устранения ошибок с накладными расходами на выборку, которые в четвертой степени 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, дала примерно 10-кратное эффективное улучшение уровней ошибок вентилей после пост-селекции синдромов для сложной для моделирования схемы с 2336 CZ-вентилями, при этом сохраняя нижнюю границу точности 0,349 с доверительной вероятностью 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, а также позволяет получать сходящиеся ожидаемые значения с использованием гораздо меньшего количества прогонов, чем требуется для PEC в отдельности. Накладывая исправление квантовых ошибок с пост-селекцией на PEC, исследователи могут изучить потенциал гибридных подходов QEC/QEM для масштабирования экспериментов по достижению превосходства в практические приложения 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 для квантовой коррекции ошибок, позволяя экспериментировать с методами смягчения, обнаружения и исправления ошибок. Мы предоставляем тонкий уровень доступа, выходящий за пределы обычных вентилей и измерений. Эти возможности на уровне импульсов включает контроль над синхронизацией импульсов, доступ к индивидуальной калибровке отдельных вентилей и мягкую информацию из измерений, выходящую за рамки бинарной классификации.
С помощью динамической декупинга пользователи могут добавлять последовательности импульсов к простаивающим кубитам, вращая их вокруг сферы Блоха и компенсируя эффекты каналов шума. Динамические цепи, сочетающие классическую обработку в реальном времени с измерениями в середине цепи и операциями прямой связи, позволяют непрерывно адаптироваться на основе результатов измерений, полученных во время выполнения цепи, что позволяет применять корректирующие действия в реальном времени. Эта инфраструктура управления уже доступна через службу IBM Quantum Compute Service, чтобы исследователи могли начать исследовать ее уже сегодня. Узнайте больше о динамических цепях в нашей документации.
Кроме того, наша модель направленного выполнения теперь предоставляет еще больше контроля и прозрачности — без потери производительности. Выущенная как бета-служба в прошлом году, модель направленного выполнения сделала смягчение ошибок конфигурируемой на стороне клиента, чтобы позволяла экспериментировать с передовыми возможностями смягчения ошибок. Теперь интерфейс становится еще более гибким, добавляя инструменты для упрощения таких задач, как отладка и обучение шуму, при этом по-прежнему используя среду выполнения, которая позволяет эффективно запускать цепи на больших системах.
При совместном использовании с такими пакетами, как qiskit-noise-learning, qiskit-mitigation и Samplomatic, модель направленного выполнения позволяет ученым в области квантовой информации разрабатывать пользовательские протоколы обучения шуму, реализовывать модульные стратегии смягчения ошибок и настраивать случайность выборок соответственно. Кроме того, исследователи теперь могут использовать примитив Executor, чтобы возвращать информацию о состоянии вместе с ядерными результатами (известными как IQ-точки), раскрывая мягкую информацию о результатах измерений.
Предоставляя более богатые данные 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 доверии в декодирование, проверку состояния и анализ утечки, открывая более сложные подходы к пониманию и улучшению квантовых систем.
Условная квантовая коррекция ошибок
Начиная запускать вентили на логическом уровне, ошибки вентилей Clifford становятся дешевыми для смягчения, тогда как не-Clifford операции (например, T-вентили) обходятся дороже. Типичные подходы к реализации устойчивых к ошибкам T-вентилей зависят от инъекции магических состояний и дистилляции магических состояний, которые требуют сложности аппаратного обеспечения, скорее всего недоступной до эпохи устойчивости к ошибкам. Методы условной квантовой коррекции ошибок предлагают промежуточный шаг к полной коррекции ошибок, позволяя условно применять квантовые коды, исправляющие ошибки, на основе информации о каналах шума.
Например, одно из перспективных направлений исследований исследует структуру для реализации кодированных Clifford + T-цепей, защищая вентили Clifford коррекцией ошибок, а затем смягчая ошибки от шумных кодированных T-вентилей. Это достигается с помощью метода квазивероятности, при котором шумный квантовый компьютер моделирует квантовый компьютер без шума, получая правильные ожидаемые значения измеряемых наблюдаемых. Поскольку только T-вентили требуют смягчения ошибок, накладные расходы на смягчение становятся гораздо более управляемыми, что повышает потенциал ранних машин с коррекцией ошибок для получения полезных квантовых вычислений.
Второе направление исследований рассматривает, могут ли быть смягчены требования к трансверсальным вентилям — операциям, общим в устойчивом к ошибкам квантовом вычислении, — чтобы избежать накладных расходов на синтез вращений, фабрик магических состояний и маршрутизации телепортации. Вместо того чтобы настаивать на том, чтобы трансверсальные вентили применялись идеально каждый раз, этот подход использует слабые трансверсальные вращения, которые решаются условно на основе измерения синдромов кода. Вращения реализуются непосредственно на кодированных кубитах, позволяя отбрасывать ветви синдромов с ошибками или повторять их до успешного завершения. Выполняя вентили вращения более естественно и параллельно, избегая многих накладных расходов дистилляции магических состояний, эта техника может сократить время выполнения в десятки и сотни раз по сравнению с традиционными подходами Clifford + T, открывая новый путь к устойчивому к ошибкам квантовому вычислению с значительно меньшими накладными расходами.
Иерархическая квантовая коррекция ошибок
Двигаясь вдоль континуума QEC, алгебрические коды опираются на математические структуры, такие как многочлены, векторные пространства и конечные поля, для защиты квантовой информации, обеспечивая при этом более простое декодирование и меньшее количество кубитов. Хотя алгебрические коды могут стать неудобными для больших квантовых систем, для которых коды qLDPC предлагают более привлекательный вариант, они представляют собой ряд потенциальных преимуществ как внешние коды в иерархических архитектурах QEC.
Конкатенированные (иерархические) коды накладывают алгебрические коды поверх кодов qLDPC, расширяя защиту кодов qLDPC без необходимости использования более крупных модулей. С помощью этого подхода собственные логические операции внутреннего кода обеспечивают дальнюю связность, необходимую внешнему коду, — так что связность исходит из кода, а не из дополнительного аппаратного обеспечения. этот компромисс снимает крупное инженерное ограничение при умеренных накладных расходах: конкатенация квантовых кодов Рида-Соломона поверх высокоскоростного внутреннего кода достигает режима из 10 логических операций с физической скоростью ошибки 10, используя модуль с значительно снижена инженерной сложностью.
Хотя иерархическая квантовая коррекция ошибок в реальном времени напрямую недоступна на системах текущего поколения, наша архитектура для квантоцентричных суперкомпьютеров показывает, как будущие системы смогут обеспечивать этот режим работы, используя локализованные классические системы, состоящие из CPU, GPU и/или специализированных ускорителей, взаимодействующих с QPU. Как программная граница между плотно связанным слоем реального времени и остальной архитектурой системы, API IBM Quantum Systems будет способствовать способности запускать своевременную обратную связь из измерений синдромов или между слоями кода иерархии. По мере эволюции этой архитектуры, углубляя 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 северная звезда по-прежнему устойчивость к ошибкам
От смягчения ошибок до их исправления существует целый спектр методов, готовых к исследованию для развития полезных квантовых вычислений еще до достижения полной отказоустойчивости. IBM предоставляет платформу, необходимую для оптимизации компромиссов во всем этом спектре и повышения надежности вычислений, поддерживая переход от методов обработки ошибок, требующих большого количества выборок, но меньшего числа кубитов, к методам, требующим большого количества кубитов, но меньшего числа выборок. Даже в эпоху отказоустойчивых квантовых вычислений мы ожидаем, что смягчение ошибок и постселекция будут работать совместно с исправлением ошибок qLDPC, 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, наш недавно выпущенный IBM Quantum Nighthawk r2 предлагает платформу для исследования квантового исправления ошибок в сочетании с возможностями Qiskit и 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 IBM Quantum Compute Service.
