Introduktion
I verden af kvantefejlkorrektion kommer en underdog efter kongen.
I sidste uge rapporterede nye simuleringer fra to grupper, at en stigende klasse af kvantefejlkorrigerende koder er mere effektiv i en størrelsesorden end den nuværende guldstandard, kendt som overfladekoden. Koderne fungerer alle ved at omdanne en horde af fejltilbøjelige qubits til et meget mindre bånd af "beskyttede" qubits, der sjældent laver fejl. Men i de to simuleringer kunne low-density parity check - eller LDPC - koder lave beskyttede qubits ud af 10 til 15 gange færre rå qubits end overfladekoden. Ingen af grupperne har implementeret disse simulerede spring i faktisk hardware, men de eksperimentelle tegninger tyder på, at disse koder, eller koder som dem, kunne fremskynde ankomsten af mere dygtige kvanteenheder.
"Det ser virkelig ud til, at det er ved at blive til virkelighed," sagde Daniel Gottesman fra University of Maryland, som studerer LDPC-koder, men ikke var involveret i de seneste undersøgelser. "Disse [koder] kunne være praktiske ting, der i høj grad kan forbedre vores evne til at lave kvantecomputere."
Klassiske computere kører på bits, der sjældent slår fejl. Men de partikellignende objekter - qubits - som kraftkvantecomputere mister deres kvantemojo, når næsten alt skubber dem ud af deres sarte tilstand. For at lokke fremtidige qubits til nytte planlægger forskere at bruge kvantefejlkorrektion, praksis med at bruge ekstra qubits til redundant indkodning af information. Det svarer i ånden til at beskytte en besked mod statisk ved at sige hvert ord to gange og sprede informationen ud blandt flere tegn.
Den kanoniske konge
I 1998 introducerede Alexei Kitaev fra California Institute of Technology og Sergey Bravyi, dengang fra Landau Institute for Theoretical Physics i Rusland, den kvantefejlkorrigerende overfladekode. Den organiserer qubits i et firkantet gitter og udfører noget som et spil Minestryger: Hver qubit forbinder til fire naboer, så tjek af udpegede hjælpe-qubits giver dig mulighed for diskret at snoge efter fire databærende qubits. Afhængigt af om checken returnerer et 0 eller et 1, kan du udlede, om nogle af naboerne har taget fejl. Ved at tjekke rundt på tavlen kan du udlede, hvor fejlene er og rette dem.
Introduktion
Gennem disse kontroller – og mere subtile justeringer af de iffy qubits – kan du også skjule en pålidelig qubit gennem den firkantede bloks databærende qubits, ikke ligefrem her eller der, men sådan set overalt. Så længe de iffy qubits holder minestryger-operationerne gnidningsfrit, forbliver den skjulte qubit sikker og kan manipuleres til at udføre operationer. På denne måde smelter overfladekoden elegant mange sjuskede qubits sammen til en enkelt qubit, der sjældent fejler.
"Det lidt irriterende for mig er, at overfladekoden er den enkleste ting, du kan komme i tanke om," sagde Nikolas Breuckmann, en fysiker, der blev matematiker ved University of Bristol, som har brugt år på at forsøge at forbedre ordningen. "Og det fungerer bemærkelsesværdigt godt."
Koden blev guldstandarden for fejlkorrektion; det var meget tolerant over for dårlige qubits, og gitteret var let at visualisere. Som et resultat påvirkede overfladekoden designet af kvanteprocessorer og kvantevejkort.
"Det har været tingen at gøre," sagde Barbara Terhal, en kvanteinformationsteoretiker ved QuTech-forskningsinstituttet i Holland. "Dette er den chip, du skal lave."
Ulempen ved overfladekoden, som endnu ikke er fuldt demonstreret i praksis, er en umættelig appetit på qubits. Større blokke af sjuskede qubits er nødvendige for at beskytte den pålidelige qubit stærkere. Og for at lave flere beskyttede qubits skal du sy flere blokke sammen. For forskere, der drømmer om at køre kvantealgoritmer på mange beskyttede qubits, er disse byrder.
I 2013 så Gottesman en potentiel vej ud af dette rod.
Forskere, herunder Terhal og Bravyi havde fundet beviser tyder på, at for en flad kode, der kun forbandt naboer til naboer, gjorde overfladekoden så godt, som man kunne håbe. Men hvad nu hvis du tillod hver check at forbinde fjerntliggende qubits sammen? Kvanteinformationsteoretikere var allerede begyndt at udforske koder med sådanne "ikke-lokale" forbindelser, som tilfældigt kaldes LDPC-koder. (Forvirrende nok er overfladekoden teknisk set også en LDPC-kode, men i praksis refererer udtrykket ofte til de mere eksotiske klanmedlemmer med ikke-lokale checks.)
Gottesman viste derefter, at visse LDPC-koder kunne være langt mindre glubende: De kunne proppe flere beskyttede qubits ind i en enkelt blok, hvilket ville hjælpe med at undgå overfladekodens ballonerende qubit-krav til større algoritmer.
Men Gottesmans arbejde var stærkt idealiseret og betragtes som i det væsentlige uendelige sværme af qubits. Den praktiske udfordring var at se, om forskere kunne nedskalere LDPC-koder til at fungere i rigtige kvanteenheder, samtidig med at de bevarede deres stemning.
Demonstrer virtuel beskyttelse
I løbet af de sidste to år, Breuckmann , andre forskere er begyndt at granske ydeevnen af LDPC-koder, der kan køre på mindre og mindre systemer. Håbet var, at nogle kunne passe ind i nutidens enheder, som kan levere måske 100 rå qubits.
Sidste uge, et team af forskere ved IBM ledet af Bravyi afslørede en simulering af den mindste og mest konkrete LDPC-plan til dato, baseret på en LDPC-kode fra en lidet kendt papir udgivet i 2012. Det startede med overfladekodens kontrol af fire tilstødende qubits og tilføjede to nøje udvalgte "ikke-lokale" qubits.
De simulerede de forskellige fejl, der kunne opstå hvis koden blev kørt på et rigtigt kredsløb, en proces, der er som at stikke et digitalt jagerfly ind i en digital vindtunnel og se, hvordan det flyver. Og de fandt ud af, at deres kode kunne beskytte sine pålidelige qubits langt mere effektivt end overfladekoden. I en testkørsel tog koden 288 rå qubits, der fejlede 0.1 % af tiden, og brugte dem til at oprette 12 beskyttede qubits med en fejlrate 10,000 gange lavere. For den samme opgave, vurderede holdet, ville overfladekoden have krævet mere end 4,000 input-qubits.
"Vi var meget overraskede over det," sagde Andrew Cross, en forsker på IBM-teamet.
Simuleringen driller muligheden for at få morgendagens fejlretning i dag, for mens ingen har adgang til 4,000 qubits, er enheder med hundredvis af qubits lige om hjørnet.
"Du kunne se en ganske betydelig mængde af fejltolerance med enheder, som har et antal qubits, som vi har i dag," sagde Gottesman.
En dag efter IBM's fortryk dukkede op, var et samarbejde mellem flere institutioner af forskere ledet af Mikhail Lukin fra Harvard University og Liang Jiang fra University of Chicago indsendt lignende resultater. (Forskerne afviste at diskutere deres arbejde, som er blevet indsendt til et peer-reviewed tidsskrift.) De havde støvet to andre af. LDPC koder, modificerede dem til simulering og fandt ud af, at de også krævede omtrent en tiendedel af antallet af input-qubits for at lave snesevis til hundredvis af gode qubits, sammenlignet med overfladekoden.
Men at bygge en F-35 er sværere end at simulere en F-35, og det vil også være ekstremt udfordrende at bygge en LDPC-kodeklar enhed. "To hovedting kunne forhindre disse ting i faktisk at tage over," sagde Gottesman.
For det første er det svært at skabe ikke-lokale forbindelser mellem qubits, især for virksomheder som IBM, der laver qubits ud af immobile superledende kredsløb. At forbinde disse kredsløb med deres naboer er naturligt, men at skabe forbindelser mellem fjerne qubits er det ikke.
Introduktion
For det andet udmærker LDPC-koder sig, når deres beskyttede qubits bruges til hukommelse, som de var i IBM-simuleringen. Men når det kommer til at bruge de tågede, overlappende qubits til beregninger, gør den sammenfiltrede, ikke-lokale kodestruktur det meget sværere at vælge og styre de ønskede qubits.
"Vi ved, at det i princippet er muligt at udføre disse beregninger," sagde Gottesman, der skitserede en plan for at gøre det i sit arbejde fra 2013. "Men vi ved ikke, om det er muligt at gøre det på en virkelig praktisk måde."
Lukin og hans kolleger tog beskedne skridt i retning af at løse disse primære svagheder. For det første simulerede holdet end-to-end-beregning ved at sammensmelte en LDPC-beskyttet kvantehukommelse med en overfladekodebeskyttet kvanteprocessor. I den ordning overlevede qubit-besparelserne stort set beregningsbyrden, men på bekostning af, at beregningen tog længere tid at køre.
Desuden skræddersyede Lukins team deres simuleringer til en type free-roaming qubits der er en naturlig pasform til at arrangere langdistanceforbindelser. I modsætning til de stationære superledende kredsløb er deres qubits atomer holdt af laserstråler. Ved at flytte laserne kan de bringe fjerne qubits i kontakt. "Dette er fantastisk til LDPC-koder," sagde Breuckmann.
Hvornår - eller endda om - LDPC-koder bliver praktiske, er fortsat usikkert. Demonstrationer af snesevis af pålidelige hukommelsesqubits er sandsynligvis mindst et par år væk i selv de mest rosenrøde prognoser, og beregninger forbliver længere væk. Men de seneste simuleringer får overfladekoden til at virke mere og mere som et springbræt på vejen til kvanteberegning snarere end destinationen.
"Der er en grund til, at overfladekoden har eksisteret i 20 år," sagde Breuckmann. "Det er svært at slå, men nu har vi beviser for, at vi faktisk kan slå det."
- SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
- PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
- PlatoESG. Automotive/elbiler, Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
- PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
- ChartPrime. Løft dit handelsspil med ChartPrime. Adgang her.
- BlockOffsets. Modernisering af miljømæssig offset-ejerskab. Adgang her.
- Kilde: https://www.quantamagazine.org/new-codes-could-make-quantum-computing-10-times-more-efficient-20230825/
- :har
- :er
- :ikke
- :hvor
- ][s
- 000
- 1
- 10
- 100
- 12
- 15 %
- 1998
- 20
- 20 år
- 2012
- 2013
- a
- evne
- Om
- AC
- adgang
- faktiske
- faktisk
- tilføjet
- adressering
- Efter
- algoritmer
- Alle
- tilladt
- tillader
- sammen
- allerede
- også
- blandt
- beløb
- an
- ,
- Andrew
- noget
- dukkede
- appetit
- ER
- omkring
- ankomst
- AS
- At
- undgå
- væk
- BAND
- baseret
- BE
- blev
- fordi
- bliver
- været
- begyndt
- mellem
- større
- Bloker
- Blocks
- board
- pin
- bringe
- bristol
- Bygning
- byrde
- men
- by
- beregninger
- california
- kaldet
- CAN
- stand
- omhyggeligt
- vis
- udfordre
- udfordrende
- tegn
- kontrollere
- kontrol
- Kontrol
- Chicago
- chip
- valgt
- Klan
- klasse
- kode
- koder
- samarbejde
- kolleger
- kommer
- kommer
- Virksomheder
- sammenlignet
- beregning
- beregninger
- computere
- computing
- tilsluttet
- Tilslutning
- Tilslutninger
- forbinder
- betragtes
- kontakt
- Corner
- Koste
- kunne
- skabe
- Oprettelse af
- Cross
- Nuværende
- dag
- demonstreret
- Afhængigt
- Design
- udpeget
- ønskes
- destination
- enhed
- Enheder
- DID
- digital
- diskutere
- do
- gør
- Dont
- ned
- downside
- snesevis
- hver
- let
- effektiv
- effektivt
- ende til ende
- fejl
- fejl
- især
- væsentlige
- anslået
- Endog
- bevismateriale
- præcist nok
- Excel
- Udfører
- Exotic
- eksperimenterende
- udforske
- ekstra
- ekstremt
- mislykkedes
- Manglende
- langt
- Med
- få
- færre
- passer
- Fix
- flad
- Til
- prognoser
- fundet
- fire
- fra
- bære frugt
- fuldt ud
- yderligere
- fremtiden
- spil
- få
- Guld
- Gold Standard
- godt
- stærkt
- Grid
- gruppe
- Gruppens
- havde
- Hård Ost
- hårdere
- Hardware
- Harvard
- Harvard Universitet
- Have
- headed
- Held
- hjælpe
- link.
- Skjult
- Skjule
- stærkt
- hans
- håber
- Hvordan
- HTTPS
- Hundreder
- IBM
- if
- implementeret
- Forbedre
- in
- Herunder
- stigende
- Uendelig
- påvirket
- oplysninger
- indgang
- Institut
- ind
- introduceret
- involverede
- IT
- ITS
- tidsskrift
- lige
- Holde
- King (Konge)
- Kend
- kendt
- vid udstrækning
- større
- laser
- lasere
- Efternavn
- spring
- mindst
- Led
- mindre
- ligesom
- Sandsynlig
- LINK
- links
- Lang
- længere
- UDSEENDE
- taber
- lavere
- lavet
- magasin
- Main
- lave
- maerker
- manipuleret
- mange
- Maps
- Maryland
- me
- Medlemmer
- Hukommelse
- besked
- måske
- Fejl
- fejl
- beskedne
- modificeret
- mere
- mere effektiv
- mest
- flytning
- meget
- flere
- Natural
- Behov
- behov
- naboer
- Ingen
- Holland
- Ny
- ingen
- nu
- nummer
- objekter
- of
- off
- tit
- on
- ONE
- kun
- Produktion
- or
- ordrer
- organiserer
- Andet
- vores
- ud
- i løbet af
- paritet
- sti
- peer-reviewed
- Udfør
- ydeevne
- udfører
- måske
- Fysik
- fly
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatoData
- Muligheden
- mulig
- potentiale
- magt
- Praktisk
- praksis
- bevare
- primære
- princippet
- behandle
- Processor
- processorer
- beskytte
- beskyttet
- beskyttelse
- offentliggjort
- Quantamagazin
- Quantum
- kvantealgoritmer
- kvantecomputere
- quantum computing
- kvantefejlkorrektion
- kvanteinformation
- qubit
- qubits
- sjældent
- Sats
- hellere
- Raw
- ægte
- virkelig
- grund
- nylige
- refererer
- pålidelig
- forblive
- resterne
- rapporteret
- påkrævet
- Krav
- forskning
- forsker
- forskere
- resultere
- afkast
- højre
- stigende
- vej
- groft
- Kør
- kører
- Rusland
- sikker
- Said
- samme
- Besparelser
- så
- Scale
- Ordningen
- se
- se
- synes
- viste
- lignende
- simulation
- enkelt
- mindre
- glat
- Snoop
- So
- nogle
- noget
- taler
- brugt
- ånd
- Spredning
- firkant
- standard
- påbegyndt
- Tilstand
- Steps
- stikning
- Stands
- kraftigt
- struktur
- undersøgelser
- indsendt
- væsentlig
- sådan
- tyder
- superledende
- overflade
- overrasket
- overlevede
- Systemer
- skræddersyet
- tager
- Opgaver
- hold
- teknisk set
- Teknologier
- tiere
- semester
- prøve
- end
- at
- oplysninger
- Holland
- verdenen
- deres
- Them
- derefter
- teoretisk
- Der.
- Disse
- de
- ting
- ting
- tror
- denne
- dem
- hele
- tid
- gange
- til
- i dag
- nutidens
- sammen
- tolerance
- også
- tog
- hård
- mod
- omdanne
- tunnel
- Drejede
- To gange
- to
- typen
- Uncertain
- universitet
- University of Chicago
- I modsætning til
- afsløret
- brug
- anvendte
- ved brug af
- forskellige
- meget
- Virtual
- var
- Vej..
- we
- WebP
- uge
- GODT
- var
- Hvad
- hvornår
- hvorvidt
- som
- mens
- WHO
- vilje
- blæst
- med
- ord
- Arbejde
- world
- ville
- år
- endnu
- Du
- zephyrnet