Автор: Quek et al.
Квантовые компьютеры обладают потенциалом превзойти обычные компьютеры в некоторых практически значимых задачах обработки информации, возможно, даже в машинном обучении и оптимизации. Однако их крупномасштабное развертывание пока невозможно, в основном из-за их чувствительности к шуму, который заставляет их совершать ошибки.
Один из методов, разработанных для устранения этих ошибок, известен как квантовая коррекция ошибок и предназначен для работы «на лету», отслеживания ошибок и восстановления вычислений при их возникновении. Несмотря на огромный прогресс в этих направлениях за последние месяцы, эта стратегия остается экспериментально очень сложной и сопряжена со значительными накладными расходами ресурсов.
Альтернативный подход, известный как квантовое смягчение ошибок, работает более косвенно: вместо исправления ошибок в момент их возникновения, вычисление с ошибками (или его измененные версии) выполняется до завершения. Только в конце можно вернуться назад, чтобы сделать вывод о том, каким был правильный результат. Этот метод был предложен в качестве «замещающего» решения для борьбы с ошибками, сделанными квантовыми компьютерами, до того, как может быть реализовано полное исправление ошибок.
Однако исследователи из Массачусетского технологического института, Высшей нормальной школы в Лионе, Университета Вирджинии и Свободного университета Берлина показали, что методы квантового смягчения ошибок становятся крайне неэффективными по мере того, как квантовые компьютеры становятся больше и масштабируются.
Это означает, что смягчение ошибок не станет долгосрочной панацеей от вечной проблемы шума в квантовых вычислениях. Их статья, опубликованная в Nature Physics, предлагает руководство о том, какие схемы смягчения неблагоприятного воздействия шума на квантовые вычисления обязательно будут неэффективными.
«Мы рассматривали ограничения для краткосрочных квантовых вычислений, использующих шумные квантовые вентили», — рассказал Phys.org Йенс Эйсерт, соавтор статьи.
«Наш коллега Дэниел Стилк Франса только что доказал результат, который привел к убедительным ограничениям квантовых вычислений в ближайшей перспективе. Он показал, что для деполяризующего шума в логарифмической глубине можно достичь квантового состояния, которое можно захватить с помощью эффективных классических методов выборки. Мы только что думали о квантовом смягчении ошибок, но затем мы подумали: подождите, что все это значит для квантового смягчения ошибок?»
Недавняя статья Йихуэя Куека, Дэниела Стилка Франса, Сумита Хатри, Йоханнеса Якоба Мейера и Йенса Эйсерта основывается на этом исследовательском вопросе, намереваясь изучить точные пределы квантового смягчения ошибок. Их выводы раскрывают степень, в которой квантовое смягчение ошибок может помочь уменьшить влияние шума на краткосрочные квантовые вычисления.
«Квантовое смягчение ошибок должно было стать заменой квантовой коррекции ошибок, поскольку для его реализации требуется менее точная инженерия, и поэтому была надежда, что оно может быть достижимо даже для текущих экспериментальных возможностей», — рассказал Phys.org Ихуэй Куэк, ведущий автор статьи.
«Но когда мы прищурились на эти относительно простые схемы смягчения, мы начали понимать, что, возможно, нельзя получить все сразу — да, для них требуется меньше кубитов и управления, но часто это достигается за счет необходимости запускать всю систему пугающе большое количество раз».
Один из примеров схемы смягчения, которая, как обнаружила группа, имеет ограничения, известен как «экстраполяция с нулевой ошибкой». Эта схема работает путем постепенного увеличения количества шума в системе, а затем преобразования результатов более шумных вычислений обратно в сценарий с нулевым шумом.
«По сути, для борьбы с шумом вы должны увеличить шум в своей системе», — объяснил Квек. «Даже интуитивно ясно, что это не может быть масштабируемым».
Квантовые схемы (т. е. квантовые процессоры) состоят из слоя за слоем квантовых вентилей, каждый из которых получает вычисления предыдущего слоя и продвигает их дальше. Однако, если вентили шумные, каждый слой в схеме становится палкой о двух концах, поскольку, хотя он продвигает вычисление, сам вентиль вносит дополнительные ошибки.
«Это создает ужасный парадокс: вам нужно много слоев вентилей (следовательно, глубокая схема), чтобы выполнить нетривиальное вычисление», — сказал Куэк.
«Однако более глубокая схема также более шумная — она с большей вероятностью будет выводить бессмыслицу. Таким образом, существует гонка между скоростью, с которой вы можете вычислять, и скоростью, с которой накапливаются ошибки в вычислениях.
«Наша работа показывает, что существуют чрезвычайно опасные схемы, для которых последняя намного, намного быстрее, чем изначально предполагалось; настолько, что для смягчения этих опасных схем вам нужно будет запустить их нереально большое количество раз. Это справедливо независимо от того, какой конкретный алгоритм вы используете для смягчения ошибок».
Недавнее исследование Квека, Эйсерта и их коллег показывает, что квантовое смягчение ошибок не так масштабируемо, как предсказывали некоторые. Фактически, команда обнаружила, что по мере масштабирования квантовых схем усилия или ресурсы, необходимые для запуска смягчения ошибок, значительно увеличиваются.
«Как и в случае со всеми теоремами о недопустимости, нам нравится видеть их не как помеху, а как приглашение», — сказал Эйсерт.
«Возможно, работая с более геометрически локально связанными составляющими, можно прийти к гораздо более оптимистичным настройкам, и в этом случае, возможно, наша граница слишком пессимистична. Распространенные архитектуры часто имеют такие локальные взаимодействия. Наше исследование также можно рассматривать как приглашение подумать о более последовательных схемах смягчения квантовых ошибок».
Выводы, собранные этой исследовательской группой, могут послужить руководством для квантовых физиков и инженеров по всему миру, вдохновив их на разработку альтернативных и более эффективных схем смягчения квантовых ошибок. Кроме того, они могут вдохновить на дальнейшие исследования, сосредоточенные на теоретических аспектах случайных квантовых цепей.
«Предыдущая разрозненная работа над отдельными алгоритмами для квантового смягчения ошибок намекала на то, что эти схемы не будут масштабируемыми», — сказал Квек.
«Мы придумали структуру, которая охватывает большую часть этих отдельных алгоритмов. Это позволило нам утверждать, что эта неэффективность, которую видели другие, присуща самой идее квантового смягчения ошибок — и не имеет ничего общего с конкретной реализацией.
«Это стало возможным благодаря разработанному нами математическому аппарату, который на сегодняшний день является самым убедительным из известных результатов относительно того, насколько быстро схемы могут терять свою квантовую информацию из-за физического шума».
В будущем статья Квека, Эйсерта и их коллег может помочь исследователям быстро определить типы схем смягчения квантовых ошибок, которые, скорее всего, будут неэффективны. Ключевым концептуальным пониманием результатов команды является кристаллизация интуиции о том, что дальнодействующие вентили (т. е. вентили с кубитами, разделенными большими расстояниями) могут быть как выгодными, так и проблемными, поскольку они легко создают запутанность, продвигая вычисления, а также быстрее распространяя шум в системе.
«Это, конечно, открывает вопрос о том, возможно ли вообще достичь квантового преимущества без использования этих «суперраспространителей» как квантовости, так и ее злейшего врага (т. е. шума)», — добавил Квек. «В частности, все наши результаты не сохраняются, когда в середине вычислений вводятся новые вспомогательные кубиты, поэтому некоторое их количество может быть необходимым».
В своих следующих исследованиях исследователи планируют сместить фокус с выявленных ими проблем на потенциальные решения для их преодоления. Некоторые из их коллег уже добились определенного прогресса в этом направлении, используя комбинацию рандомизированного бенчмаркинга и методов смягчения квантовых ошибок.
Дополнительная информация: Yihui Quek et al, Exponentially tighter bounds on limits of quantum error mitigation, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02536-7.
Информация о журнале: Nature Physics
