Google Willow (Willow) — квантовый процессор на сверхпроводящих кубитах, разработанный подразделением Google Quantum AI компании Google и представленный 9 декабря 2024 года. Процессор содержит 105 физических кубитов; его изготовили на собственной производственной площадке Google в Санта-Барбаре.

На Willow продемонстрировали подавление ошибок при увеличении размера квантового кода: объединение большего числа физических кубитов в один логический кубит повышало надёжность хранения информации. Другим направлением экспериментов стало выполнение специально подобранных вычислительных задач, для которых авторы оценивали преимущество над известными классическими методами. К ним относятся выборка случайных квантовых схем и опубликованный в 2025 году эксперимент Quantum Echoes, исследовавший распространение квантовых возмущений.

История разработки Willow продолжил работы Google над сверхпроводящими квантовыми процессорами. В 2019 году исследователи использовали 53 кубита процессора Sycamore для выборки результатов случайной квантовой схемы. Эта работа стала одним из известных экспериментальных исследований квантового превосходства — возможности выполнить на квантовом устройстве определённую задачу, практически недоступную классическим вычислительным средствам при сопоставимых затратах.

Параллельно развивалось другое направление — создание надёжных логических кубитов из подверженных ошибкам физических элементов. В работе, опубликованной в 2023 году, Google сравнила поверхностные коды с кодовым расстоянием 3 и 5. Более крупный код показал небольшое улучшение: вероятность логической ошибки за цикл составила около 2,91 % против 3,03 %. Для дальнейшего масштабирования требовалось существенно снизить физические ошибки.

По объяснению разработчиков, при создании Willow улучшали одновременно время жизни кубитов, квантовые операции, измерение и обработку ошибок. Продление времени энергетической релаксации с примерно 20 мкс у использовавшегося ранее Sycamore до 68 мкс у образца Willow для коррекции ошибок уменьшило потери информации между операциями.

Устройство Кубиты Willow относятся к типу трансмонов. Трансмон представляет собой сверхпроводящую электрическую цепь с джозефсоновским переходом и ёмкостью. Два нижних энергетических уровня используются как состояния кубита. Нелинейность цепи позволяет избирательно управлять переходом между ними, а выбранное соотношение джозефсоновской и зарядовой энергий уменьшает чувствительность к зарядовому шуму. При этом у физического устройства существуют и более высокие уровни энергии, выход на которые нарушает работу в двухуровневом вычислительном пространстве.

Кубиты расположены в двумерной решётке и взаимодействуют через управляемые связи с ближайшими соседями. Такая геометрия подходит для поверхностного кода, в котором многократно выполняются локальные операции между кубитами данных и вспомогательными измерительными кубитами.

В анонсе Google приведены характеристики двух разных 105-кубитных образцов: один использовали для коррекции ошибок, другой — для выборки случайных схем. Их показатели не являются результатами измерения единственного универсального режима работы.

+ Средние характеристики двух образцов Willow по данным Google, декабрь 2024 года Показатель Образец для коррекции ошибок Образец для случайных схем Ошибка однокубитной операции 0,035 % 0,036 % Ошибка двухкубитной операции 0,33 %; вентиль CZ 0,14 %; вентиль типа iSWAP Ошибка измерения 0,77 %; повторные измерения 0,67 %; итоговое измерение всех кубитов Время энергетической релаксации T1 68 мкс 98 мкс

Квантовая коррекция ошибок Физические и логические кубиты Физический кубит — отдельный элемент процессора, квантовое состояние которого изменяется из-за взаимодействия с окружением и неточности управления. Логический кубит кодируется в совместном состоянии нескольких физических кубитов. В поверхностном коде часть кубитов хранит данные, а другая часть служит для повторяющихся проверок. Эти проверки извлекают сведения о возможных ошибках, не измеряя непосредственно закодированное логическое состояние.

Результаты проверок образуют синдром ошибки. Классическая программа — декодер — анализирует изменения синдрома и определяет наиболее вероятные ошибки. Увеличение числа кубитов само по себе не гарантирует улучшения: дополнительные элементы и операции тоже вносят шум. Если физические ошибки достаточно редки, польза от избыточного кодирования перевешивает этот ущерб. Такой режим называют работой ниже порога коррекции ошибок.

Кодовое расстояние d характеризует защищённость кода: оно соответствует минимальному числу физических ошибок, способных совместно осуществить нетривиальную логическую операцию без обнаружения идеальными проверками. При подходящей модели шума ниже порога вероятность логической ошибки экспоненциально уменьшается с ростом d. Это не означает экспоненциального улучшения при добавлении каждого отдельного кубита: в двумерном поверхностном коде необходимое число физических элементов растёт примерно как квадрат кодового расстояния.

Экспериментальные результаты В опубликованной онлайн 9 декабря 2024 года работе о Willow сравнивались поверхностные коды с расстояниями 3, 5 и 7. При увеличении расстояния на два вероятность логической ошибки за цикл уменьшалась в среднем в 2,14 ± 0,02 раза. Для расстояния 7 она составила (0,143 ± 0,003) %. Этот логический кубит занимал 101 физический кубит: 49 кубитов данных, 48 измерительных и четыре дополнительных, использовавшихся для удаления утечки за пределы вычислительных уровней.

Время жизни логической памяти достигло 291 ± 6 мкс, превысив соответствующий показатель лучшего из составлявших её физических кубитов в 2,4 ± 0,3 раза. Отдельный опыт с обработкой синдромов в реальном времени провели на 72-кубитном процессоре того же поколения, используя код расстояния 5. Средняя задержка декодирования составляла 63 мкс при длительности цикла коррекции 1,1 мкс; обработка успевала за поступающим потоком данных. Эти результаты относились к хранению логического состояния, а не к выполнению произвольного алгоритма на множестве защищённых кубитов.

Исследователи также изучали редкие коррелированные ошибки с помощью более простого кода повторения. Такой код защищает только от одного вида ошибок, поэтому его показатели нельзя непосредственно переносить на полноценную квантовую память, которой необходима защита и от изменения значения, и от изменения фазы. Редкие события, одновременно затрагивающие несколько элементов, остаются одним из препятствий дальнейшему повышению надёжности.

Вычислительные эксперименты Выборка случайных квантовых схем При выборке случайных квантовых схем (, RCS) процессор выполняет последовательность квантовых операций, а затем измеряет кубиты, получая битовую строку. Повторные запуски должны воспроизводить распределение вероятностей, заданное схемой. Вычислительная трудность состоит в получении выборки из этого распределения с нужной точностью, а не в нахождении единственного заранее заданного численного ответа.

Google сообщила, что Willow выполнил выбранный тест менее чем за пять минут. Время классического расчёта на суперкомпьютере Frontier компания оценила приблизительно в 1025 лет. Это расчётная оценка для конкретного теста, зависящая от алгоритма моделирования и допущений о памяти, а не измеренное время работы суперкомпьютера. Сам тест не имел известного коммерческого применения.

Quantum Echoes В октябре 2025 года в Nature опубликован другой эксперимент на Willow, получивший название Quantum Echoes. Исследователи выполняли прямую и обратную последовательности квантовых операций с внесённым между ними локальным возмущением. Получающийся сигнал позволял изучать распространение квантовой информации и интерференцию в системе многих частиц. Измерялись корреляторы с нарушенным временным порядком операторов — OTOC ().

В наиболее трудном для классического моделирования варианте использовались 65 кубитов. Сбор экспериментальных данных занимал около 2,1 часа на схему; авторская оценка соответствующего классического расчёта на Frontier составила около 3,2 года, то есть приблизительно в 13 000 раз больше. Сопоставление относилось к исследованным схемам и рассмотренным способам классического моделирования.

В отличие от задачи выборки случайных строк, Quantum Echoes даёт значения физических величин, которые можно воспроизвести на другом квантовом устройстве. Авторы связывали с этим возможность независимой проверки результата. Такая проверяемость не означает, что наиболее сложный вариант эксперимента можно столь же быстро полностью пересчитать на обычном компьютере.

Молекулярная структура В связанной работе, представленной в октябре 2025 года в виде препринта, квантовые вычисления сочетались с ядерным магнитным резонансом (ЯМР). Исследователи измеряли многочастичные спиновые эхо-сигналы двух органических молекул в жидкокристаллической среде и моделировали соответствующие корреляторы на Willow. Для толуола использовали девять кубитов, для 3′,5′-диметилбифенила — 15.

Полученные данные применяли для оценки среднего расстояния между определёнными атомами водорода в толуоле и среднего двугранного угла между кольцами диметилбифенила. Результаты согласовывались с независимыми спектроскопическими измерениями. Работа показала способ использования квантового процессора для интерпретации экспериментальных данных о строении молекул. При этом исследованные молекулы ещё допускали классическое моделирование: разработчики характеризовали опыт как демонстрацию принципа, а не как установленное квантовое преимущество в решении химической задачи.

Моделирование электронных систем В препринте, опубликованном в октябре 2025 года и обновлённом в декабре, описано моделирование двумерной модели Ферми — Хаббарда с помощью 72 кубитов Willow. Эта упрощённая модель описывает движение и взаимодействие электронов в решётке. В опыте рассматривались решётки размером до 6 × 6 узлов, включая образование магнитных поляронов и приближение системы к тепловому равновесию.

Авторы проверяли результаты точными классическими расчётами там, где они были доступны, и сопоставляли их с приближёнными методами. Выход за возможности точного хранения полного вектора состояния сам по себе не исключает эффективного приближённого классического описания отдельных наблюдаемых величин.

Дальнейшие исследования В препринте ноября 2025 года, обновлённом в июне 2026 года, описано применение обучения с подкреплением к управлению коррекцией ошибок на Willow. Сведения об обнаруженных ошибках использовались одновременно для защиты логического состояния и для настройки управляющих параметров. При искусственно внесённом дрейфе параметров авторы получили улучшение логической стабильности поверхностного кода в 3,5 раза. Цель подхода — уменьшить необходимость останавливать вычисления для повторной калибровки.

Другая работа, представленная в декабре 2025 года как препринт, была посвящена подготовке специальных вспомогательных состояний — «магических состояний». Они позволяют дополнять защищённые операции до набора, необходимого для универсальных квантовых вычислений. На Willow исследовали протокол magic state cultivation, включавший перенос состояния из цветного кода в поверхностный. По сообщению авторов, вероятность ошибки подготовки уменьшилась в 40 раз, а оценка верности состояния составила 0,9999 ± 0,0001. Такой результат получали после отбора: сохранялось около 8 % попыток. Поэтому указанная верность характеризовала принятые состояния, а не безусловный успех каждого запуска.

Значение и ограничения