Google Willow i "stany magiczne"

15 października zespół Google Quantum AI opisał na blogu Google, że na procesorze Google Willow po raz pierwszy zadziałała w praktyce metoda nazywana magic state cultivation, czyli „hodowla” stanów magicznych. Wyniki ukazały się w czasopiśmie Science.

Co dokładnie pokazał Google Willow?

Według wpisu Emmy Rosenfeld i Craiga Gidneya z Google Quantum AI metoda dała:

1. około 40x mniej błędów niż stany magiczne przygotowane bez „hodowli”,
2. stany T (jeden z rodzajów stanów magicznych) o wierności logicznej 99,99%, co według zespołu jest rekordem,
3. pierwsze kroki w stronę docelowej architektury Google: stan przeniesiono z kodu kolorowego o odległości 3 do kodu powierzchniowego o odległości 5.

Według Decrypt eksperyment wykorzystał maksymalnie 54 ze 105 kubitów Willow.

A czym są te “stany magiczne”?

Komputer kwantowy z korekcją błędów dość tanio wykonuje część łatwych operacji, ale do obliczeń uniwersalnych potrzebuje też tych „trudnych”. Jednym ze sposobów jest wcześniejsze przygotowanie specjalnych stanów pomocniczych, czyli właśnie stanów magicznych. Nazwa wzięła się stąd, że to właśnie one pozwalają wyjść poza granice, które da się zasymulować na zwykłym komputerze.

Problem w tym, że są drogie i jednorazowe: każdy stan magiczny można zużyć tylko raz. Według szacunków przytoczonych przez Google ich produkcja mogłaby pochłaniać nawet 95% mocy komputera kwantowego. Zespół pisze, że to wąskie gardło przewidziano już w 2004 r. i od około 20 lat szuka się sposobu, żeby je poszerzyć.

Jak działa „hodowla” stanów magicznych?

Teorię opisali w 2024 r. Craig Gidney, Noah Shutty i Cody Jones w pracy „Magic state cultivation: growing T states as cheap as CNOT gates”. Działa to jak filtr:

1. do małego obszaru układu wprowadza się zaszumiony stan,
2. seria skoordynowanych pomiarów sprawdza go pod kątem błędów i odrzuca nieudane próby,
3. stan, który przetrwa, jest „hodowany”, czyli rozbudowywany do bardzo czystej postaci, którą można przenieść do większego kodu.

Co ciekawe, droga od teorii do sprzętu nie była prosta. Według Google pierwsze dane z eksperymentu Emmy Rosenfeld „wydawały się przeczyć prawom fizyki”. Po miesiącach pracy okazało się, że winne było błędne założenie w metodzie pomiaru, z której zespół standardowo korzystał. ScienceAlert pisze, że problem rozwiązała nowa technika, tzw. “kickback tomography”.

Czy jest jakiś haczyk?

Filtr kosztuje. W najbardziej rygorystycznych przebiegach zostawało tylko około 8% prób, resztę odrzucano. Przeniesienie stanu do większego kodu dokładało też nowe błędy, z którymi zespół musi się jeszcze zmierzyć.

Sam Google zaznacza, że metodę trzeba pokazać na większą skalę, zanim przyda się w praktycznych obliczeniach. Decrypt przypomina, że do złamania RSA-2048 potrzebne byłyby stany magiczne z błędem rzędu 1 na 10 miliardów, czyli mniej więcej milion razy czystsze niż w tym eksperymencie. Do „Q-day” jest więc jeszcze daleko.

Co to zmienia dla kryptografii?

Na razie niewiele. Alex Pruden z Project Eleven powiedział The Block, że wynik niekoniecznie przesuwa prognozy dotyczące Q-day, bo wcześniejsze szacunki zasobów już zakładały tę technikę. Jego zdaniem eksperyment raczej potwierdza te założenia, więc obecne prognozy stają się bardziej wiarygodne. Nic Carter z Castle Island Ventures ocenił, że „nie ma bezpośredniego zagrożenia”.

To kolejny w ostatnich dniach duży wynik z kwantowego świata. Niedawno pisałem o tym, jak Claude zaprojektował obwody kwantowe z nawet 17x mniejszą liczbą bramek. Lepsze obwody i tańsze stany magiczne to dwie strony tego samego problemu: jak zmieścić użyteczne obliczenia na ograniczonym sprzęcie.

FAQ

Czym jest Google Willow?

To procesor kwantowy Google Quantum AI. W eksperymencie z hodowlą stanów magicznych wykorzystano maksymalnie 54 z jego 105 kubitów.

Czy Google Willow może już złamać szyfrowanie?

Nie. Do złamania RSA-2048 potrzebne byłyby stany magiczne około milion razy czystsze niż w tym eksperymencie i znacznie większa maszyna.

Gdzie przeczytać pracę o stanach magicznych?

Wyniki eksperymentu opublikowano w Science, a teorię z 2024 r. na arXiv.