Resumen:
El equipo de investigación de Google Quantum AI demostró el "cultivo del estado mágico" por primera vez en el procesador cuántico superconductor Willow e informó que la tasa de error del estado cuántico cultivado era aproximadamente 40 veces menor que la del estado no cultivado, y la fidelidad lógica alcanzó el 99,99%. La investigación, publicada en la revista Science, muestra que la solución, que antes era en gran medida teórica, ahora puede ejecutarse en hardware cuántico real.
El estado mágico es un estado cuántico especial necesario para implementar la computación cuántica universal y puede usarse para realizar operaciones que no son de Clifford llamadas puertas T. Las arquitecturas de corrección de errores existentes suelen consumir una gran cantidad de qubits y recursos informáticos para preparar estados mágicos de alta calidad; algunas estimaciones sugieren que los preparativos relacionados pueden ocupar hasta aproximadamente el 95% de las capacidades de una computadora cuántica. El método de cultivo primero inyecta estados cuánticos ruidosos en una pequeña área del chip y luego busca errores y filtra resultados no calificados mediante una serie de mediciones coordinadas para obtener estados lógicos más puros.
Los experimentos en el artículo redujeron la probabilidad de errores lógicos de aproximadamente 0,44% sin cultivo a aproximadamente 0,01% a 0,02%, lo que es consistente con la afirmación de "reducido aproximadamente 40 veces"; sin embargo, los resultados experimentales conservados después de la selección representaron alrededor del 8%, lo que indica que esta mejora del error todavía va acompañada de una baja tasa de éxito y no puede entenderse simplemente como que los recursos necesarios para toda la computadora cuántica se han reducido 40 veces. El equipo también demostró la conversión y el trasplante del estado lógico del código de color con una distancia de 3 a un código de superficie con una distancia de 5, verificando que el estado cultivado se puede transferir entre diferentes códigos de corrección de errores. Todo el chip de Willow tiene 105 qubits físicos, pero estos resultados son demostraciones de circuitos experimentales específicos y no son programas prácticos a gran escala tolerantes a fallas que se hayan ejecutado en el chip.
Los investigadores también descubrieron en experimentos que las fluctuaciones de temperatura de los dispositivos y la deriva de los dispositivos electrónicos pueden interferir con los puntos de referencia de medición tradicionales, por lo que mejoraron el control del hardware y diseñaron nuevos métodos de prueba de puntos de referencia. Google declaró que todavía necesita verificar el cultivo del estado mágico a mayor escala y resolver múltiples desafíos de ingeniería durante el proceso de expansión. Los resultados en esta etapa demuestran que la ruta técnica se puede implementar en hardware real, proporcionando nuevos avances en la reducción del umbral de recursos de la computación cuántica tolerante a fallas, pero todavía hay una distancia hasta llegar a las computadoras cuánticas prácticas a gran escala.
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