Google объявила о преодолении одного из главных барьеров в квантовых вычислениях: чип Willow снижает уровень ошибок в 40 раз.

Автор: Jose Antonio Lanz, Decrypt

Перевод: TechFlow

TechFlow: последний опубликованный в журнале Science отчет группы квантовых исследований Google показывает, что чип Willow успешно снизил уровень ошибок «магических состояний», которые являются дефицитными и быстро расходуются, в 40 раз. Это прорыв, получивший название «культивация магических состояний», не только значительно снижает физические затраты на создание практичных квантовых компьютеров, но и приближает к реальности теоретическую угрозу для шифрования RSA-2048 и эллиптической криптографии Bitcoin.

Ключевые моменты

В четверг команда квантового искусственного интеллекта Google (Google Quantum AI) объявила, что технология «культивация магических состояний» (magic state cultivation) позволила снизить уровень ошибок на их чипе Willow примерно в 40 раз, обеспечив создание магических состояний с точностью до 99,99 %.

Магические состояния — это необходимый «ресурс одноразового использования» для запуска высокоценных квантовых программ. По оценке Google, согласно некоторым академическим расчетам, расходы на создание магических состояний ранее могли достигать 95 % всей вычислительной мощности квантового компьютера.

«Технология культивации» также легла в основу прогноза Google о том, что количество зашумленных физических кубитов, необходимых для взлома шифрования RSA-2048, может быть снижено до менее чем одного миллиона; однако для фактического взлома шифрования ошибка магического состояния должна приближаться к одной стомиллиардной доли.

От теоретической статьи к реальному физическому чипу

По словам Google, компания превратила один из самых перспективных теоретических концептов в области квантовых вычислений в технологию, которую можно запустить на реальном чипе.

В статье, опубликованной в четверг в ведущем научном журнале Science, группа квантовых исследований Google продемонстрировала, что на ее новейшем процессоре Willow технология культивации магических состояний успешно снизила уровень ошибок примерно в 40 раз.

Снижение стоимости строительства квантовых компьютеров имеет последствия, выходящие далеко за рамки фундаментальных физических лабораторий: это не только существенно ускорит практическое применение квантовых вычислений в разработке лекарств, создании новых материалов и других областях, но и приблизит день, когда они смогут взломать алгоритмы шифрования, защищающие банковские учетные данные и кошельки Bitcoin.

Почему магические состояния стали главным узким местом квантовых вычислений?

Квантовые компьютеры работают на основе кубитов (qubits). В отличие от классических битов, которые могут находиться только в состоянии 0 или 1, кубиты способны одновременно существовать в суперпозиции состояний 0 и 1, что позволяет им параллельно исследовать множество возможных результатов. Однако кубиты чрезвычайно хрупки: даже небольшое тепловое воздействие или слабый электромагнитный шум могут привести к инверсии кубита и сбоям во всем вычислении. Именно поэтому вся квантовая индустрия одержима концепцией «квантовой коррекции ошибок», которая заключается в распределении единой информации по множеству физических кубитов для своевременного обнаружения и исправления ошибок.

Квантовая коррекция ошибок эффективно справляется с базовыми логическими операциями, но для действительно ценных с коммерческой точки зрения сложных программ требуются операции более высокого порядка, которые нельзя защитить аналогичным образом. Для их выполнения системе необходимо предварительно создать «магические состояния» (Magic States). Они функционируют как одноразовые топливные элементы для этих сложных вычислений: будучи использованными, они мгновенно исчерпываются.

Изготовление магических состояний высокой чистоты и с низким уровнем шума всегда обходилось крайне дорого. По оценкам, на которые ссылается Google, стоимость создания магических состояний иногда достигает 95 % общего вычислительного потенциала всего квантового компьютера, оставляя ничтожно малую долю мощностей непосредственно для полезных вычислений.

«Культивация» вместо «дистилляции»: новый метод компактной фильтрации

Еще в 2004 году известные физики Сергей Бравай (Sergei Bravyi) и Алексей Китаев (Alexei Kitaev) предложили стандартное решение — «дистилляцию магических состояний» (Magic State Distillation). Этот метод собирает огромное количество зашумленных магических состояний низкого качества и проходит через многоступенчатую сортировку и очистку, чтобы получить небольшое число состояний высокой чистоты. Хотя дистилляция эффективна, она требует возведения огромных специализированных физических «заводов» по производству кубитов, которые не пригодны ни для чего, кроме очистки.

В 2024 году исследователи Google представили более дешевую альтернативу под названием «культивация магических состояний» (Magic State Cultivation). В отличие от громоздких фабрик, эта технология работает как прецизионный фильтр: сначала грубое исходное состояние инжектируется в крошечную область чипа, затем ему проводится серия последовательных проверок, каждое зафиксировавшее дефекты испытание сразу отбрасывается, а безупречные сохранившиеся состояния сохраняются и постоянно культивируются. В первоначальной статье исследователи даже смело предположили, что в реальных инженерных масштабах традиционная вторичная дистилляция может больше никогда не понадобиться.

«На процессоре Willow команды квантовых исследований Google наш протокол обеспечил исключительно заметное снижение уровня ошибок в 40 раз по сравнению с необработанным исходным состоянием. Мы получили T-состояния с рекордным уровнем логической верности 99,99 %,» — указано в заявлении Google.

В ходе эксперимента только около 8 % попыток успешно проходили все проверки, что означает: каждый раз, когда чип отбирает одно качественное магическое состояние высокой чистоты, он сознательно отбраковывает более 90 % начальных попыток.

Долгосрочный анализ угроз для систем шифрования и безопасности Bitcoin

Именно технология культивации магических состояний стала одной из ключевых основ для серьезного прогноза исследователя Крейга Гидни (Craig Gidney). В 2025 году он предсказал, что количество зашумленных кубитов, необходимых для взлома основного стандарта шифрования RSA-2048, можно сократить до менее чем 1 миллиона, что в 20 раз меньше его оценки 20 миллионов 2019 года. До текущего эксперимента данная технология культивации проверялась исключительно на чисто теоретическом уровне и в симуляциях на суперкомпьютерах.

В марте этого года команда Google Quantum AI совместно с исследователем из фонда Ethereum Юстином Дрейком (Justin Drake) и известным криптографом из Стэнфордского университета Дэном Боне (Dan Boneh) опубликовала белый документ, в котором дополнительно уточнил этот прогноз: количество физических кубитов, необходимых для взлома алгоритма эллиптической криптографии Bitcoin (математической основы, предотвращающей вывод закрытого ключа из открытого), может составить менее 500 тысяч.

Однако на данный момент кошельки пользователей с зашифрованными данными отнюдь не находятся под угрозой кражи. В данном эксперименте было задействовано не более 54 кубитов из 105 доступных на чипе Willow, а статья четко указывает, что для факторизации ключей RSA-2048 уровень ошибок магических состояний должен опуститься примерно до одной стомиллиардной доли. Это почти в миллион раз чище, чем только что достигнутый Google показатель точности 99,99 %.

По словам Google, следующим шагом станет запуск технологии культивации магических состояний на аппаратных массивах большего размера. Команда ожидает, что достаточно будет снизить уровень аппаратного шума базовой архитектуры процессора Willow вдвое, чтобы ошибка магических состояний могла быть дополнительно сжата примерно до двух десятитысячных, поскольку в данном процессе уровень ошибок снижается пропорционально кубу уровня шума чипа.