Willow: квантовый чип Google¶

Willow — сверхпроводящий квантовый процессор, разработанный исследовательской группой Google Quantum AI и представленный публично в декабре 2024 года. Чип предназначен для выполнения вычислений на основе кубитов и рассматривается как значительный шаг на пути к созданию отказоустойчивого квантового компьютера. Ключевой особенностью Willow является демонстрация экспоненциального подавления ошибок при увеличении числа кубитов, что долгое время считалось одной из главных инженерных проблем в данной области.

¶История и контекст создания

Разработка Willow стала продолжением многолетней программы Google по созданию квантовых вычислителей. Предшественником чипа являлся процессор Sycamore, на котором в 2019 году была продемонстрирована задача «квантового превосходства» — выполнение специфического вычисления, недоступного классическим суперкомпьютерам за приемлемое время. Однако Sycamore имел существенные ограничения по точности операций и времени когерентности.

Проект по созданию нового поколения чипов стартовал в лабораториях Google в Санта-Барбаре (Калифорния). Работа велась в условиях жесткой конкуренции с IBM, которая параллельно развивала собственные процессоры серии Heron, а также с академическими и частными проектами в Китае и Европе. Анонс Willow состоялся 9 декабря 2024 года и сопровождался публикацией результатов в научном журнале Nature.

¶Технические характеристики и устройство

Willow изготовлен по технологии интегральных схем на подложке из сапфира с использованием сверхпроводящих материалов, преимущественно алюминия. Как и другие процессоры этого класса, он функционирует при экстремально низких температурах — около 10 милликельвинов (примерно −273,14 °C), что достигается внутри рефрижератора растворения.

Основные параметры чипа:

• Количество кубитов: 105 физических кубитов, организованных в двумерную решётку.
• Время когерентности: улучшено примерно в пять раз по сравнению с предыдущим поколением, достигая величины порядка 100 микросекунд.
• Точность логических операций: пороговая точность двухкубитных гейтов превышает 99 %, что необходимо для реализации кодов коррекции ошибок.
• Система считывания: встроенные резонаторы и параметрические усилители для измерения состояния кубитов.

Принцип работы основан на использовании джозефсоновских переходов, которые обеспечивают нелинейность, необходимую для создания искусственных атомов с двумя энергетическими уровнями (кубитов). Управление осуществляется микроволновыми импульсами через программируемые аналого-цифровые интерфейсы.

¶Ключевое достижение: коррекция ошибок

Главным результатом, заявленным разработчиками, стала экспериментальная демонстрация снижения частоты ошибок при масштабировании. В квантовых вычислениях ошибки накапливаются из-за декогеренции и несовершенства операций. Традиционный подход предполагает использование логических кубитов, состоящих из множества физических, с применением кодов коррекции, например поверхностного кода.

До Willow считалось, что увеличение числа физических кубитов в логическом блоке неизбежно увеличивает суммарную ошибку, поскольку добавляет новые источники шума. Группе Google удалось преодолеть этот порог: при переходе от кодового расстояния 3 (с 17 физическими кубитами) к расстоянию 5 (с 49 кубитами) и к расстоянию 7 (со 105 кубитами) частота логических ошибок снижалась экспоненциально — примерно вдвое на каждом шаге. Это стало первым убедительным доказательством того, что квантовая коррекция ошибок может работать на практике, а не только в теории.

¶Сравнение с классическими компьютерами

В рамках бенчмарка Willow выполнил задачу случайной выборки цепей (Random Circuit Sampling) за менее чем 5 минут. По оценке Google, выполнение той же задачи на самом мощном классическом суперкомпьютере Frontier заняло бы около 10 септиллионов (10²⁵) лет, что многократно превышает возраст Вселенной. Однако данное сравнение носит условный характер, поскольку задача специально подобрана как неэффективная для классических архитектур. Для практических приложений, таких как факторизация чисел или моделирование молекул, Willow пока непригоден из-за ограниченного числа кубитов и отсутствия полной отказоустойчивости.

¶Применение и перспективы

Непосредственное коммерческое использование Willow в 2024–2025 годах не предполагается. Чип является исследовательской платформой для отработки технологий коррекции ошибок. Дорожная карта Google предусматривает несколько этапов: создание логического кубита с низкой ошибкой (реализовано), масштабирование до сотен логических кубитов и, в перспективе, запуск квантовых вычислений, превосходящих классические в практически значимых задачах — криптографии, материаловедении, оптимизации и машинном обучении.

Параллельно Google развивает программный стек, включая фреймворк Cirq и сервисы облачного доступа к квантовым процессорам через Google Cloud. Willow также используется для изучения фундаментальных вопросов физики, включая моделирование запутанности и проверку квантовой теории в новых режимах.

¶Критика и ограничения

Ряд специалистов выразил осторожность в оценках. Основные замечания касаются того, что достижение по коррекции ошибок продемонстрировано на специфическом типе шума, который может отличаться от реальных условий эксплуатации. Также отмечается, что время когерентности в 100 микросекунд остается недостаточным для сложных алгоритмов, а стоимость и сложность криогенного оборудования ограничивают тиражирование технологии. Некоторые конкуренты, включая IBM и стартап PsiQuantum, развивают альтернативные подходы — на основе ионных ловушек и фотоники, которые могут оказаться более масштабируемыми в долгосрочной перспективе.

¶Значение для отрасли

Анонс Willow укрепил позиции Google как лидера в области сверхпроводящих квантовых процессоров и стимулировал рост инвестиций в квантовые технологии. Публикация в Nature подтвердила научную строгость результатов, что важно для привлечения партнеров из промышленности и академической среды. Вместе с тем, до создания универсального квантового компьютера, способного решать реальные задачи, по оценкам экспертов, остается не менее 5–10 лет.

¶Источники

• Статья «Quantum error correction below the surface code threshold» в журнале Nature, декабрь 2024.
• Материалы блога Google Research «Meet Willow, our new quantum chip», декабрь 2024.
• Техническая документация Google Quantum AI по процессорам серии Willow.