Квантовые компьютеры отличаются мощной вычислительной мощностью, но их состояния крайне ненадежны и уязвимы к помехам. Это ставит перед исследователями задачу контроля ошибок и требует сложной системы коррекции. В этой связи исследователи Google представили новый подход под названием «magic state cultivation» — культивирование магических состояний, которое должно позволить выполнять трудные квантовые операции без разрушения схем коррекции ошибок, снижая при этом затраты ресурсов. В релизе к статье в Science упоминается, что результаты experimentally устанавливают культивирование магических состояний как жизнеспособное решение одной из ключевых проблем квантовых вычислений.

Эксперимент проведён на квантовом процессоре Willow от Google. По данным команды, применение метода культивирования магических состояний позволило снизить ошибки на этапе подготовки магических состояний примерно в 40 раз и достичь Fidelity более 99,99 процентa. Эти цифры демонстрируют, насколько выше качество создаваемых состояний по сравнению с прежними подходами.

Однако такой уровень надёжности достигается за счёт значительных потерь при отборе результатов: в наиболее строгих запусках осталось лишь около 8 процентов протоколов, остальные варианты были отброшены. Это подчёркивает компромисс между качеством и количеством получаемых данных при культивировании магических состояний.

Проблему валидации результатов и точного измерения качества состояний выявляли не сразу. В ходе работ у Google возникло ощущение противоречия между экспериментальными данными и законами физики, поэтому команда занялась перепроверкой методики оценки fidelity. Оказалось, что небольшие флуктуации в лабораторном оборудовании, в частности изменения температуры, вносили шум и мешали обычному подходу. Это потребовало разработки новой техники под названием kickback tomography, позволяющей оценивать надёжность культивированных состояний без искажений.

После внедрения kickback tomography исследователи смогли показать, что культивируемое магическое состояние действительно может быть перенесено в более крупную квантовую кодовую систему коррекции ошибок — важный шаг на пути к практическим квантовым вычислениям. При этом в большем коде возникали дополнительные ошибки, что указывает на предстоящую задачу их устранения. Тем не менее результаты подтверждают работоспособность подхода на реальном квантовом оборудовании и демонстрируют его потенциал как альтернативы ресурсонасыщенным методам, ранее применявшимся в квантовых вычислениях.