Hvorfor fejlkorrektion er kvantecomputerens afgørende udfordring – Physics World

Hvorfor fejlkorrektion er kvantecomputerens afgørende udfordring – Physics World

Tidsstempel: 25. marts 2024 kl. 7:00

Steve Brierley hævder, at kvantecomputere skal implementere omfattende fejlkorrektionsteknikker, før de kan blive fuldt ud nyttige for samfundet

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/why-error-correction-is-quantum-computings-defining-challenge-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/why-error-correction-is-quantum-computings-defining-challenge-physics-world-3.jpg" data-caption="Udnytter deres fordel Kvantecomputere bliver først nyttige, når hardware- og softwareværktøjer kan kontrollere iboende ustabile qubits. (Med høflighed: Riverlane)">
En mand i en hættetrøje arbejder med en bærbar computer og et kvantesystem
Udnytter deres fordel Kvantecomputere bliver først nyttige, når hardware- og softwareværktøjer kan kontrollere iboende ustabile qubits. (Med høflighed: Riverlane)

"Der er ingen overbevisende argumenter, der indikerer, at kommercielt levedygtige applikationer vil blive fundet det ikke brug kvantefejlkorrigerende koder og fejltolerant kvanteberegning." Sådan udtalte Caltech-fysikeren John Preskill under en tale i slutningen af ​​2023 ved Q2B23-mødet i Californien. Ganske enkelt vil enhver, der ønsker at bygge en praktisk kvantecomputer, skulle finde en måde at håndtere fejl på.

Kvantecomputere bliver stadig mere kraftfulde, men deres grundlæggende byggesten – kvantebits eller qubits – er meget fejltilbøjelige, hvilket begrænser deres udbredte brug. Det er ikke nok blot at bygge kvantecomputere med flere og bedre qubits. At frigøre det fulde potentiale af kvantecomputerapplikationer vil kræve nye hardware- og softwareværktøjer, der kan kontrollere iboende ustabile qubits og omfattende korrigere systemfejl 10 milliarder gange eller mere i sekundet.

Preskills ord annoncerede i det væsentlige begyndelsen af ​​den såkaldte Kvantefejlkorrektion (QEC) æra. QEC er ikke en ny idé, og firmaer har i mange år udviklet teknologier til at beskytte den information, der er lagret i qubits, mod fejl og dekohærens forårsaget af støj. Hvad der dog er nyt, er at give op på ideen om, at nutidens støjende enheder med mellemskala (NISQ) kunne udkonkurrere klassiske supercomputere og køre applikationer, der i øjeblikket er umulige.

Sikker på, NISQ – et udtryk, der blev opfundet af Preskill – var et vigtigt trædesten på rejsen mod fejltolerance. Men kvanteindustrien, investorer og regeringer må nu indse, at fejlkorrektion er kvantecomputerens afgørende udfordring.

Et spørgsmål om tid

QEC har allerede set hidtil usete fremskridt alene i det sidste år. I 2023 Google demonstreret, at et 17-qubit-system kunne genoprette fra en enkelt fejl og et 49-qubit-system fra to fejl (Natur 614 676). Amazon udgav en chip, der undertrykte fejl 100 gange, mens IBM videnskabsmænd opdagede et nyt fejlkorrektionsskema, der fungerer med 10 gange færre qubits (arXiv: 2308.07915). Så i slutningen af ​​året producerede Harvard Universitys kvante-spin-out Quera det hidtil største antal af fejlkorrigerede qubits .

Afkodning, som gør mange upålidelige fysiske qubits til en eller flere pålidelige "logiske" qubits, er en kerne QEC-teknologi. Det skyldes, at kvantecomputere i stor skala vil generere terabytes af data hvert sekund, som skal afkodes lige så hurtigt, som de indhentes, for at stoppe fejl, der forplanter sig og gør beregninger ubrugelige. Hvis vi ikke afkoder hurtigt nok, vil vi blive konfronteret med en eksponentielt voksende efterslæb af data.

Mit eget firma – Riverlane – introducerede sidste år verdens mest kraftfulde kvantedekoder. Vores dekoder løser dette efterslæb, men det er der stadig meget mere arbejde at gøre. Virksomheden er i øjeblikket ved at udvikle "streaming-dekodere", der kan behandle kontinuerlige strømme af måleresultater, efterhånden som de ankommer, ikke efter et eksperiment er afsluttet. Når vi har ramt det mål, er der mere arbejde at gøre. Og dekodere er kun et aspekt af QEC - vi har også brug for højnøjagtighed, højhastigheds "kontrolsystemer" til at læse og skrive qubits.

Efterhånden som kvantecomputere fortsætter med at skalere, skal disse dekoder- og kontrolsystemer arbejde sammen for at producere fejlfri logiske qubits, og i 2026 sigter Riverlane mod at have bygget en adaptiv eller realtidsdekoder. Dagens maskiner er kun i stand til et par hundrede fejlfri operationer, men fremtidige udviklinger vil fungere med kvantecomputere, der er i stand til at behandle en million fejlfri kvanteoperationer (kendt som en MegaQuOp).

Riverlane er ikke alene om sådanne bestræbelser, og andre kvantevirksomheder prioriterer nu QEC. IBM har ikke tidligere arbejdet med QEC-teknologi, men fokuserer i stedet på flere og bedre qubits. Men firmaets 2033 kvante køreplan oplyser, at IBM sigter mod at bygge en 1000-qubit-maskine inden udgangen af ​​årtiet, der er i stand til nyttige beregninger - såsom at simulere katalysatormolekylers funktion.

Quera, i mellemtiden, afslørede for nylig sin køreplan der også prioriterer QEC, mens Storbritanniens nationale kvantestrategi har til formål at bygge kvantecomputere, der er i stand til at køre en billion fejlfri operationer (TeraQuOps) inden 2035. Andre nationer har offentliggjort lignende planer, og et 2035-mål føles opnåeligt, dels fordi kvantecomputersamfundet begynder at sigte efter mindre, inkrementelle – men lige så ambitiøse – mål.

Det, der virkelig begejstrer mig ved Storbritanniens nationale kvantestrategi, er målet om at have en MegaQuOp-maskine i 2028. Igen er dette et realistisk mål – faktisk vil jeg endda hævde, at vi vil nå MegaQuOp-regimet hurtigere, hvilket er grunden til Riverlanes QEC-løsning, Deltaflow, vil være klar til at arbejde med disse MegaQuOp-maskiner i 2026. Vi behøver ikke nogen radikalt ny fysik for at bygge en MegaQuOp kvantecomputer – og sådan en maskine vil hjælpe os med bedre at forstå og profilere kvantefejl.

Når vi forstår disse fejl, kan vi begynde at rette dem og fortsætte mod TeraQuOp-maskiner. TeraQuOp er også et flydende mål - og et, hvor forbedringer i både QEC og andre steder kan resultere i, at 2035-målet blev leveret et par år tidligere.

Det er kun et spørgsmål om tid, før kvantecomputere er nyttige for samfundet. Og nu hvor vi har et koordineret fokus på kvantefejlkorrektion, vil vi nå det vendepunkt før snarere end senere.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden