NVIDIA смоделировала работу отказоустойчивого квантового процессора на 104 физических кубитах, запустив расчёты на 8192 ускорителях GH200 суперкомпьютера JUPITER.
Компания называет симуляцию крупнейшей среди работ, которые настолько подробно воспроизводят квантовые вычисления с коррекцией ошибок. При этом NVIDIA не строила собственно квантовый компьютер на 104 кубита: обычные графические ускорители моделировали его поведение.
Главная цель работы состояла не в погоне за числом кубитов. Исследователи хотели понять, как будущий квантовый процессор переживёт реальные аппаратные ошибки и сколько ресурсов понадобится, чтобы вычисления не разваливались из-за шума. Для этого команда воспроизвела подготовку специальных квантовых состояний, без которых отказоустойчивый компьютер не сможет выполнять полный набор сложных операций.
Кубиты очень чувствительны к помехам, поэтому одного физического элемента обычно недостаточно для надёжного хранения квантовой информации. Системам приходится распределять данные между группами кубитов и постоянно искать ошибки. Подготовка нужных состояний тоже требует большого количества дополнительных элементов, поэтому любое сокращение расходов заметно упрощает будущую машину. NVIDIA утверждает, что проверенный подход может потребовать примерно на 90% меньше физических кубитов, чем предыдущие методы.
В подробном описании команда уточняет, что модель учитывала не только простые случайные сбои. Исследователи добавили фазовые ошибки, которые могут накапливаться во время вычислений, а также утечку состояния. При такой утечке сверхпроводящий кубит покидает два энергетических уровня, которыми кодируют ноль и единицу. Для части элементов пришлось учитывать третий уровень энергии, что резко увеличило объём расчётов.
Сам протокол начинался с небольшого кода коррекции ошибок, после чего система постепенно увеличивала защищённую область и проверяла, не появились ли сбои. В итоговые 104 кубита вошли как элементы с данными, так и вспомогательные кубиты, которые нужны для поиска ошибок. Поэтому цифра 104 не означает 104 полноценных логических кубита.
Классическим компьютерам трудно подробно моделировать квантовые системы, потому что объём необходимых данных быстро растёт с каждым новым элементом. В крупнейшем запуске NVIDIA пришлось распределить около 35,2 трлн комплексных амплитуд по 8192 ускорителям. Только текущее квантовое состояние занимало 512 ТиБ памяти.
Практический смысл такой симуляции в том, что разработчики смогут проверять архитектуру квантовых процессоров ещё до изготовления оборудования. Модель позволяет заранее увидеть, какие аппаратные ошибки сильнее всего мешают вычислениям и насколько хорошо с ними справляется выбранная схема коррекции. Реального отказоустойчивого компьютера результат пока не создаёт, но помогает понять, как его строить и какие решения окажутся слишком дорогими ещё до появления физического процессора.