Google Quantum AI сообщила в четверг, что метод, называемый культивацией магических состояний, сократил количество ошибок примерно в 40 раз на её чипе Willow, создав магические состояния с рекордной точностью 99,99%. Компания заявляет, что превратила один из самых многообещающих теоретических приёмов квантовых вычислений в нечто, действительно работающее на чипе; результаты опубликованы в Science в четверг.

Магические состояния — это одноразовые ресурсы, необходимые для выполнения полезных квантовых программ, и, по словам Google, некоторые оценки относят затраты на их создание к 95% ёмкости квантового компьютера.

Удешевление строительства квантовых компьютеров имеет значение далеко за пределами физических лабораторий. Это приближает день, когда машины смогут выполнять полезную работу — например, создавать новые лекарства и материалы — и, в равной мере, день, когда можно будет взломать шифрование, защищающее банковские аккаунты и биткоин-кошельки.

Почему магические состояния важны

Квантовые компьютеры работают на кубитах — квантовых битах, которые могут одновременно находиться в суперпозиции 0 и 1, что позволяет им исследовать множество вариантов ответов параллельно. При этом они чрезвычайно хрупки: небольшое тепло или электрический шум могут изменить состояние кубита и разрушить вычисление, поэтому вся индустрия одержима коррекцией ошибок — распределением одной части информации по многим кубитам, чтобы ошибки можно было обнаруживать и исправлять. Чип Google Willow, представленный в декабре 2024 года, продемонстрировал этот принцип на реальном оборудовании: по мере масштабирования кода коррекции ошибок уровень ошибок падает, а не растёт.

Коррекция ошибок хорошо справляется с простыми операциями, но по-настоящему полезной программе также нужен класс более сложных операций, которые не могут быть защищены таким же образом. Для их выполнения машина сначала должна изготовить магические состояния, которые работают как одноразовые топливные элементы для этих операций: каждое расходуется в момент использования.

Производство чистых магических состояний всегда было крайне дорогим. По данным Google, некоторые оценки относят эти затраты к 95% всей ёмкости квантового компьютера, оставляя совсем мало места для самих вычислений.

От дистилляции к культивации

Физики Сергей Бравый и Алексей Китаев описали стандартное решение в 2004 году — дистилляцию магических состояний, которая берёт множество зашумлённых магических состояний и «вываривает» их в несколько чистых. Метод работает, но требует обширных кубитовых «фабрик», которые ничем больше не занимаются.

В 2024 году исследователи Google предложили более дешёвый путь, названный культивацией магических состояний. Вместо фабрики техника работает как фильтр: грубое магическое состояние вводится в крошечный участок чипа, затем выполняется цепочка проверок, каждая попытка с обнаруженным дефектом отбрасывается, а «выжившие» продолжают улучшаться. Их статья даже допускала, что дальнейшая дистилляция «может никогда не понадобиться на практике».

«На процессоре Willow компании Google Quantum AI наш протокол достиг необычайного 40-кратного сокращения ошибок по сравнению с некультивированными состояниями. И мы получили T-состояния с рекордной логической точностью 99,99%», — заявила Google в своём анонсе. T-состояния — это конкретный вид магических состояний, расходуемых для применения T-гейта, одной из сложных операций, которые коррекция ошибок не может защитить самостоятельно.

Только около 8% попыток прошли все проверки, то есть чип отбрас более девяти из десяти попыток, чтобы сохранить одно чистое состояние.

Криптографические ставки

Культивация — один из приёмов, лежащих в основе оценки Гидни 2025 года, согласно которой шифрование RSA-2048 может быть взломано менее чем на миллионе зашумлённых кубитов — это 20-кратное снижение по сравнению с 20 миллионами, которые он оценивал в 2019 году.

Google продолжила наращивать давление в марте, когда технический документ Quantum AI, подготовленный в соавторстве с исследователем Ethereum Foundation Джастином Дрейком и криптографом из Стэнфорда Дэном Бонэ, оценил стоимость взлома криптографии на эллиптических кривых Bitcoin — математики, которая не позволяет вывести закрытый ключ из публичного адреса, — менее чем в 500 000 физических кубитов. Это последовало за экспериментом компании Quantum Echoes в прошлом октябре — первым подтверждённым квантовым ускорением на реальном оборудовании.

Защита движется по собственному графику: NIST утвердил первые стандарты постквантовой криптографии в августе 2024 года — алгоритмы, разработанные для противостояния атакам крупных будущих квантовых машин, — и предложил запретить уязвимые к квантовым атакам схемы с открытым ключом, такие как RSA и криптография на эллиптических кривых, в федеральных системах после 2035 года.

До взлома шифров ещё далеко

Никто пока не опустошает кошельки с помощью этой технологии. В эксперименте использовалось не более 54 из 105 кубитов Willow, а в статье отмечается, что факторизация ключа RSA-2048 потребовала бы магических состояний с ошибками порядка одной на 10 миллиардов — примерно в миллион раз чище того, чего только что добилась Google.

Что дальше

Google заявляет, что следующий шаг — масштабирование культивации. Команда прогнозирует, что сокращение вдвое собственного аппаратного шума Willow снизит ошибки магических состояний примерно до двух на 100 000, поскольку ошибки в процессе уменьшаются пропорционально кубу уровня шума чипа. Ещё один показатель, за которым стоит следить, — уровень прохождения около 8%: чем больше попыток проходят все проверки, тем меньше ёмкости машины тратится на попытки, которые в итоге отбрасываются.