Miksi virheenkorjaus on kvanttilaskennan ratkaiseva haaste – Physics World

<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="Hyödyntämällä etujaan Kvanttitietokoneista tulee hyödyllisiä vasta, kun laitteisto- ja ohjelmistotyökalut voivat hallita luonnostaan ​​epävakaita kubitteja. (Kohtelias: Riverlane)”>

"Ei ole vakuuttavia perusteita, jotka osoittaisivat, että kaupallisesti kannattavia sovelluksia löytyy älä käyttää kvanttivirheenkorjauskoodeja ja vikasietoista kvanttilaskentaa." Näin totesi Caltechin fyysikko John Preskill puheessaan 2023in lopussa Q2B23-kokouksessa Kaliforniassa. Yksinkertaisesti sanottuna jokaisen, joka haluaa rakentaa käytännöllisen kvanttitietokoneen, on löydettävä tapa käsitellä virheitä.

Kvanttitietokoneet ovat tulossa yhä tehokkaammiksi, mutta niiden perusrakennusosat – kvanttibitit eli kubitit – ovat erittäin virhealttiita, mikä rajoittaa niiden laajaa käyttöä. Ei riitä, että rakennetaan kvanttitietokoneita, joissa on enemmän ja parempia kubitteja. Kvanttilaskentasovellusten täyden potentiaalin vapauttaminen vaatii uusia laitteisto- ja ohjelmistotyökaluja, jotka voivat hallita luonnostaan ​​epävakaita kubitteja ja korjata järjestelmävirheet kattavasti 10 miljardia kertaa tai enemmän sekunnissa.

Preskillin sanat ilmoittivat pohjimmiltaan ns Kvanttivirheen korjaus (QEC) aikakausi. QEC ei ole uusi idea, ja yritykset ovat jo vuosia kehittäneet teknologioita suojellakseen kubitteihin tallennettua tietoa virheiltä ja melun aiheuttamalta epäkoherenssilta. Uutta on kuitenkin luopuminen ajatuksesta, että nykypäivän meluisat keskikokoiset laitteet (NISQ) voisivat ylittää klassiset supertietokoneet ja ajaa sovelluksia, jotka tällä hetkellä ovat mahdottomia.

Toki NISQ – termi, jonka Preskill loi – oli tärkeä ponnahduslauta matkalla kohti vikasietoisuutta. Mutta kvanttiteollisuuden, sijoittajien ja hallitusten on nyt ymmärrettävä, että virheiden korjaaminen on kvanttilaskennan ratkaiseva haaste.

Ajan kysymys

QEC on jo nähnyt ennennäkemättömän edistyksen pelkästään viimeisen vuoden aikana. Vuonna 2023 Google osoitti, että 17 qubit järjestelmä voi toipua yhdestä virheestä ja 49 qubit järjestelmä kahdesta virheestä (luonto 614 676). Amazon julkaisi sirun, joka esti virheet 100 kertaa IBM:n tutkijat löysi uuden virheenkorjausjärjestelmän, joka toimii 10 kertaa pienemmällä määrällä kubitteja (arXiv: 2308.07915). Sitten vuoden lopussa Harvardin yliopiston kvantti spin-out Quera tuotti tähän mennessä suurimman määrän virhekorjatut qubitit .

Dekoodaus, joka muuttaa monet epäluotettavat fyysiset kubitit yhdeksi tai useammaksi luotettavaksi "loogiseksi" kubitiksi, on QEC-tekniikan ydin. Tämä johtuu siitä, että suuret kvanttitietokoneet tuottavat teratavuja dataa joka sekunti, joka on purettava yhtä nopeasti kuin ne on hankittu, jotta estetään virheiden leviäminen ja tekeminen laskelmiin hyödyttömiksi. Jos emme dekoodaa tarpeeksi nopeasti, kohtaamme ongelman eksponentiaalisesti kasvava tietokanta.

Oma yritykseni – Riverlane – esiteltiin viime vuonna maailman tehokkain kvanttidekooderi. Dekooderimme ratkaisee tämän ruuhka-ongelman, mutta sitä on edelleen paljon muuta tehtävää. Yritys kehittää parhaillaan "streaming-dekoodeja", jotka voivat käsitellä jatkuvia mittaustulosten virtoja niiden saapuessa, ei kokeilun päätyttyä. Kun olemme saavuttaneet tavoitteen, on tehtävää. Ja dekooderit ovat vain yksi osa QEC:tä – tarvitsemme myös erittäin tarkkoja ja nopeita "ohjausjärjestelmiä" kubittien lukemiseen ja kirjoittamiseen.

Kun kvanttitietokoneet skaalautuvat edelleen, näiden dekooderi- ja ohjausjärjestelmien on toimittava yhdessä tuottaakseen virheettömiä loogisia kubitteja, ja vuoteen 2026 mennessä Riverlane pyrkii rakentamaan mukautuvan tai reaaliaikaisen dekooderin. Nykyiset koneet pystyvät vain muutamaan sataan virheettömään operaatioon, mutta tuleva kehitys toimii kvanttitietokoneiden kanssa, jotka pystyvät käsittelemään miljoona virheetöntä kvanttioperaatiota (tunnetaan nimellä MegaQuOp).

Riverlane ei ole yksin tällaisissa pyrkimyksissä, ja muut kvanttiyritykset asettavat nyt QEC:n etusijalle. IBM ei ole aiemmin työskennellyt QEC-teknologian parissa, vaan keskittyi enemmän ja parempiin kubitteihin. Mutta yrityksen Vuoden 2033 kvanttisuunnitelma toteaa, että IBM pyrkii rakentamaan vuosikymmenen loppuun mennessä 1000 kubitin koneen, joka pystyy suorittamaan hyödyllisiä laskelmia – kuten simuloimaan katalyyttimolekyylien toimintaa.

Quera sillä välin julkisti äskettäin etenemissuunnitelmansa joka myös priorisoi QEC:n, kun taas Yhdistyneen kuningaskunnan kansallinen kvanttistrategia Tavoitteena on rakentaa kvanttitietokoneita, jotka pystyvät suorittamaan biljoonaa virheetöntä operaatiota (TeraQuOps) vuoteen 2035 mennessä. Muut maat ovat julkaisseet samanlaisia ​​suunnitelmia ja vuoden 2035 tavoite tuntuu saavutettavissa, osittain siksi, että kvanttilaskentayhteisö alkaa pyrkiä pienempään, inkrementaaliseen – mutta yhtä kunnianhimoisia tavoitteita.

Ison-Britannian kansallisessa kvanttistrategiassa minua todella innostaa tavoite saada MegaQuOp-kone vuoteen 2028 mennessä. Tämä on jälleen realistinen tavoite – itse asiassa väittäisin jopa, että saavutamme MegaQuOp-järjestelmän aikaisemmin, minkä vuoksi Riverlanen QEC-ratkaisu Deltaflow on valmis toimimaan näiden MegaQuOp-koneiden kanssa vuoteen 2026 mennessä. Emme tarvitse radikaalisti uutta fysiikkaa MegaQuOp-kvanttitietokoneen rakentamiseen – ja tällainen kone auttaa meitä ymmärtämään ja profiloimaan kvanttivirheet paremmin.

Kun ymmärrämme nämä virheet, voimme alkaa korjata niitä ja siirtyä kohti TeraQuOp-koneita. TeraQuOp on myös kelluva tavoite – ja parannukset sekä QEC:ssä että muualla voisivat johtaa vuoden 2035 tavoitteen toimittamiseen muutamaa vuotta aikaisemmin.

On vain ajan kysymys, milloin kvanttitietokoneet ovat hyödyllisiä yhteiskunnalle. Ja nyt, kun keskitymme koordinoidusti kvanttivirheen korjaamiseen, saavutamme sen käännepisteen ennemmin tai myöhemmin.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/why-error-correction-is-quantum-computings-defining-challenge/