Zusammenfassung:
Das Google Quantum AI-Forschungsteam demonstrierte zum ersten Mal die „Kultivierung magischer Zustände“ auf dem supraleitenden Quantenprozessor Willow und berichtete, dass die Fehlerrate des kultivierten Quantenzustands etwa 40-mal niedriger war als die des unkultivierten Zustands und die logische Wiedergabetreue 99,99 % erreichte. Die in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichte Studie zeigt, dass die Lösung, die bisher weitgehend theoretisch blieb, nun auf echter Quantenhardware ausgeführt werden kann.
Der magische Zustand ist ein spezieller Quantenzustand, der zur Implementierung universellen Quantencomputings erforderlich ist und zur Durchführung von Nicht-Clifford-Operationen, sogenannten T-Gates, verwendet werden kann. Bestehende Fehlerkorrekturarchitekturen verbrauchen normalerweise eine große Anzahl von Qubits und Rechenressourcen, um hochwertige magische Zustände vorzubereiten. Einige Schätzungen gehen davon aus, dass entsprechende Vorbereitungen bis zu etwa 95 % der Fähigkeiten eines Quantencomputers beanspruchen könnten. Die Kultivierungsmethode injiziert zunächst verrauschte Quantenzustände in einen kleinen Bereich im Chip, prüft dann auf Fehler und filtert durch eine Reihe koordinierter Messungen unqualifizierte Ergebnisse heraus, um reinere logische Zustände zu erhalten.
Die Experimente in der Arbeit reduzierten die Wahrscheinlichkeit logischer Fehler von etwa 0,44 % ohne Kultivierung auf etwa 0,01 % bis 0,02 %, was mit der Aussage „um etwa das 40-fache reduziert“ übereinstimmt; Die nach dem Screening erhaltenen experimentellen Ergebnisse machten jedoch etwa 8 % aus, was darauf hindeutet, dass diese Fehlerverbesserung immer noch mit einer geringen Erfolgsquote einhergeht und nicht einfach so verstanden werden kann, dass die für den gesamten Quantencomputer erforderlichen Ressourcen um das 40-fache reduziert wurden. Das Team demonstrierte außerdem die Konvertierung und Übertragung des logischen Zustands des Farbcodes mit einem Abstand von 3 in einen Oberflächencode mit einem Abstand von 5 und verifizierte so, dass der kultivierte Zustand zwischen verschiedenen Fehlerkorrekturcodes übertragen werden kann. Willows gesamter Chip verfügt über 105 physikalische Qubits, aber diese Ergebnisse sind Demonstrationen spezifischer experimenteller Schaltkreise und keine groß angelegten, praktischen fehlertoleranten Programme, die auf dem Chip ausgeführt wurden.
Die Forscher stellten in Experimenten außerdem fest, dass Temperaturschwankungen von Geräten und Drift elektronischer Geräte die herkömmlichen Mess-Benchmarks beeinträchtigen können. Deshalb verbesserten sie die Hardware-Steuerung und entwickelten neue Benchmark-Testmethoden. Google erklärte, dass es die Kultivierung des Magic State noch in größerem Maßstab verifizieren und während des Expansionsprozesses zahlreiche technische Herausforderungen lösen müsse. Die Ergebnisse in diesem Stadium beweisen, dass der technische Weg auf realer Hardware implementiert werden kann, was neue Fortschritte bei der Senkung der Ressourcenschwelle des fehlertoleranten Quantencomputings darstellt, aber es besteht noch ein weiter Weg zu praktischen Quantencomputern im großen Maßstab.
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