Az IBM Quantum alelnöke Jay Gambetta beszél Philip Balllal a vállalatnak az elmúlt 20 év során elért számos kvantumfejlesztéséről, valamint a nemrég bejelentett ötéves ütemtervéről a „kvantumelőny” felé.
A vállalatok és kutatólaboratóriumok szerte a világon azon dolgoznak, hogy a születőben lévő kvantumtechnológiáikat kivonják a laboratóriumból a való világba, és az amerikai technológiai óriás, az IBM kulcsszerepet játszik. Idén májusban, Az IBM Quantum bemutatta legújabb ütemtervét A következő évtizedben a kvantumszámítástechnika jövőjét illetően, és a cég ambiciózus célokat tűzött ki maga elé. Miután bejelentette Eagle processzor 127 kvantumbittel (qubit) tavaly, a cég az most fejleszti a 433 qubit-es Osprey processzort még idén debütál, majd 2023-ban az 1121 kvbites Condor követi.
A cég szerint azonban ezen túlmenően a játék átáll az ilyen processzorok moduláris áramkörökbe való összeszerelésére, amelyekben a chipek ritkább kvantum- vagy klasszikus összeköttetéseken keresztül vannak összekötve. Ez az erőfeszítés 4158-ben csúcsosodik ki a 2025 kvbites Kookaburra készülékükben. Az IBM előrejelzése szerint ezen túlmenően is moduláris lesz. 100,000 XNUMX vagy több qubittel rendelkező processzorok, amelyek képesek olyan hibák nélkül dolgozni, amelyek jelenleg a kvantumszámítást megkérdőjelezik a qubitek zajosságának elkerülő megoldásainak megtalálásában. Ezzel a megközelítéssel a vállalat kvantumszámítási csapata biztos abban, hogy általános „kvantumelőnyt” tud elérni, ahol a kvantumszámítógépek folyamatosan felülmúlják a klasszikus számítógépeket, és a klasszikus eszközökön túl bonyolult számításokat hajtanak végre.
Miközben Londonban volt, útban a 28th Solvay konferencia Brüsszelben, amely a kvantuminformációkkal foglalkozott, Fizika Világa utolérte a fizikust Jay Gambetta, az IBM Quantum alelnöke. Gambetta, aki az elmúlt két évtizedben a vállalat fejlődésének nagy részét vezette, elmagyarázta, hogyan lehet elérni ezeket a célokat, és mit jelentenek ezek a kvantumszámítástechnika jövője szempontjából.
Mi a technika jelenlegi állása az IBM Quantumnál? Melyek azok a legfontosabb paraméterek, amelyekre összpontosít?
Az IBM ütemterve a skálázásról szól – nem csak a qubitek számáról, hanem azok sebességéről, minőségéről és az áramköri architektúráról is. Az Eagle processzorban most 300 mikromásodperces koherenciaidőnk van [az az időtartam, ameddig a qubitek koherensek maradnak és képesek kvantumszámítást végezni] [a 1-es körülbelül 2010 μs-hoz képest], és az eszközök következő generációja eléri a 300 ezredmásodpercet. És a [szupravezető fémekből készült] qubitjeink már majdnem 99.9%-os hűséggel rendelkeznek [1000 műveletenként csak egy hiba lép fel – a hibaarány 10-3]. Szerintem a 99.99% nem lenne lehetetlen jövő év végére.
A kvantumszámítógépek érettségének végső lakmusz tesztje tehát az, hogy a kvantumfutási idő versenyképes-e a klasszikus futásidővel
De a dolgok intelligens elvégzése sokkal fontosabb lesz, mint a nyers mutatók benyomása. A processzor architektúrája egyre fontosabbá válik. Nem hiszem, hogy 1000 qubit fölé jutnánk chipenként [mint a Condornál], ezért most a modularitást vizsgáljuk. Így az évtized végére eljuthatunk a 10,000 100 qubites processzorokhoz. Mind a klasszikus kommunikációt (az elektronika vezérlésére) fogjuk használni a chipek között, mind a kvantumcsatornákat, amelyek összefonódást hoznak létre (a számítás elvégzéséhez). Ezek a chipek közötti csatornák lassúak lesznek – talán 95-szor lassabbak, mint maguk az áramkörök. A csatornák hűségét pedig nehéz lesz XNUMX% fölé tolni.
A nagy teljesítményű számítástechnika esetében az igazán számít, hogy minimálisra csökkentsék a futási időt – vagyis minimalizálják azt az időt, amely egy érdekes probléma megoldásához szükséges. A kvantumszámítógépek érettségének végső lakmusz tesztje az, hogy a kvantumfutási idő versenyképes lehet-e a klasszikus futásidővel. Elméletileg elkezdtük bemutatni, hogy ha van egy nagy áramkör, amit futtatni szeretne, és azt felosztja kisebb áramkörökre, akkor minden alkalommal, amikor egy vágást végrehajt, azt gondolhatja, hogy ez klasszikus költséget jelent, ami növeli az üzemidőt. exponenciálisan. Tehát a cél az, hogy ezt az exponenciális emelkedést a lehető legközelebb tartsuk 1-hez.
Egy adott áramkör esetében a futási idő exponenciálisan függ a paramétert γ̄-nak nevezzük hatalomra emelték nd, Ahol n a qubitek száma és d a mélység [az áramkör bemenete és kimenete közötti leghosszabb út mértéke, vagy ezzel egyenértékűen az áramkör működéséhez szükséges időlépések száma]. Tehát ha a γ̄-t a lehető legközelebb 1-hez tudjuk vinni, akkor eljutunk egy olyan pontra, ahol valódi kvantumelőny van: nincs exponenciális növekedés a futásidőben. Csökkenthetjük a γ̄-t a koherencia és a kapuhűség [intrinsic error rate] javításával. Végül elérkezünk egy olyan fordulóponthoz, ahol a hibacsökkentés exponenciális többletköltsége mellett is futásidejű előnyökhöz juthatunk a klasszikus számítógépekhez képest. Ha le tudja csökkenteni a γ̄-t 1.001-re, akkor a futási idő gyorsabb, mintha ezeket az áramköröket klasszikusan szimulálná. Bízom benne, hogy ezt meg tudjuk tenni – a kapuhűség javulásával és a qubitek közötti áthallás visszaszorításával már 1.008-as γ̄-t mértünk a Falcon r10 [27 qubit] chipen.
Hogyan hajthatja végre ezeket a javításokat a hibacsökkentés érdekében?
A pontosság javítása érdekében a valószínűségi hibatörlésnek nevezett megközelítést alkalmaztuk [arXiv:2201.09866]. Az ötlet az, hogy küldjön nekem munkaterheléseket, és én elküldöm Önnek a feldolgozott eredményeket zajmentes becslésekkel. Azt mondja, azt akarom, hogy vezesse ezt a kört; Jellemzöm a rendszeremben lévő összes zajt, és sok futtatást végzek, majd ezeket az eredményeket együtt dolgozom fel, hogy az áramkör kimenetére vonatkozóan zajmentes becslést adjak. Ily módon kezdjük megmutatni, hogy valószínűleg van egy kontinuum, ahol ma tartunk a hibaelnyomással és a hibacsökkentéssel a teljes hibajavításig.
Tehát el lehet jutni teljesen hibajavító logikai qubitek létrehozása nélkül?
Mi is az a logikai qubit valójában? Tulajdonképpen mit értenek ezen az emberek? Ami igazán számít, az az, hogy tud-e logikai áramköröket futtatni, és hogyan futtassa őket úgy, hogy a futási idő mindig gyorsabb legyen? Ahelyett, hogy logikai qubiteket építenénk, azon gondolkodunk, hogyan futtassunk áramköröket, és hogyan adjuk meg a felhasználóknak a válasz becsléseit, majd a futásidő alapján számszerűsítsük azt.
Ha normál hibajavítást végez, akkor azt javítja ki, amit addig a válasznak gondolt. Frissít egy referenciakeretet. De a hibajavítást hibacsökkentéssel érjük el. Ha γ̄ egyenlő 1-gyel, akkor gyakorlatilag hibajavításom lesz, mert nincs többletköltsége a becslések tetszés szerinti javításával.
Így gyakorlatilag logikai qubitjeink lesznek, de ezek folyamatosan beilleszthetők. Tehát kezdünk egy magasabb szinten gondolkodni róla. Az a nézetünk, hogy a felhasználói szemszögből egy folytonosságot hozzunk létre, amely egyre gyorsabb és gyorsabb lesz. A kvantumszámítógépek érettségének végső lakmusztesztje tehát az, hogy a kvantumfutási idő versenyképes-e a klasszikus futásidővel.
Ez nagyon eltér attól, amit más kvantumcégek csinálnak, de nagyon meg fogok lepődni, ha nem ez lesz az általános nézet – lefogadom, hogy látni fogja, hogy az emberek a futásidőket hasonlítják össze, nem a hibajavítási arányokat.
Amit csinálunk, az csak általában a számítástechnika, és egy kvantumprocesszoron keresztül lendületet adunk neki.
Ha klasszikus csatlakozású moduláris eszközöket készít, az azt jelenti, hogy a jövő valójában nem kvantum versus klasszikus, hanem kvantum és a klasszikus?
Igen. A klasszikus és a kvantum összekapcsolása többre képes. Ezt nevezem kvantumtöbbletnek: a klasszikus számítástechnika intelligens, kvantumerőforrások felhasználásával történő végrehajtása.
Ha tudnék egy varázspálcát lengetni, nem nevezném kvantumszámításnak. Visszatérnék, és azt mondanám, hogy valójában csak a számítástechnikát csináljuk, és egy kvantumprocesszoron keresztül lendületet adunk ennek. Én a „kvantumcentrikus szuperszámítógép” kifejezést használtam. Valójában a számítástechnika fokozásáról van szó, kvantum hozzáadásával. Szerintem ez lesz az építészet.
Mik a technikai akadályok? Nem számít, hogy ezeknek az eszközöknek kriogén hűtésre van szükségük?
Ez nem igazán nagy ügy. Nagyobb probléma, hogy ha tovább haladunk az ütemtervünkön, akkor aggódom az elektronika ára és minden körülötte lévő dolog miatt. E költségek csökkentése érdekében ökoszisztémát kell fejlesztenünk; és mi közösségként még mindig nem teszünk eleget ennek a környezetnek a megteremtéséért. Nem látom, hogy sokan csak az elektronikára koncentrálnának, de szerintem ez megtörténik.
Most már minden tudomány elkészült, így már inkább mérnöki kérdés?
Mindig lesz tennivaló a tudományban, különösen, ha felvázolja ezt az utat a hibacsökkentéstől a hibajavításig. Milyen típusú kapcsolatot szeretne beépíteni a chipbe? Mik az összefüggések? Ezek mind alapvető tudományok. Azt hiszem, a hibaarányt továbbra is 10-re tudjuk tolni-5. Én személy szerint nem szeretem a dolgokat „tudománynak” vagy „technológiának” nevezni; innovációt építünk. Úgy gondolom, hogy határozottan megtörténik az átmenet afelé, hogy ezek az eszközök eszközökké váljanak, és az a kérdés, hogyan használjuk ezeket a dolgokat a tudomány számára, nem pedig az eszköz létrehozásának tudománya.
Aggódik, hogy kvantumbuborék lehet?
Nem. Szerintem a kvantumelőny két dologra bontható. Először is, hogyan lehet gyorsabban futtatni az áramköröket kvantumhardveren? Bízom benne, hogy tudok jósolni ezzel kapcsolatban. Másodszor, hogyan használja ezeket az áramköröket, és hogyan kapcsolja össze őket az alkalmazásokkal? Miért működik jobban egy kvantumalapú módszer, mint egy klasszikus módszer önmagában? Ezek nagyon kemény tudományos kérdések. És ezek olyan kérdések, amelyek a nagyenergiájú fizikusokat, anyagtudósokat és kvantumkémikusokat egyaránt érdeklik. Azt hiszem, határozottan lesz kereslet – ezt már látjuk. Látjuk, hogy néhány üzleti vállalkozás is érdeklődik, de eltart egy ideig, amíg valódi megoldásokat találunk, nem pedig a kvantumot, amely a tudomány eszköze lenne.
Úgy látom, ez egy sima átmenet. Az egyik nagy potenciális alkalmazási terület azok a problémák, amelyek valamilyen szerkezetű adatokkal rendelkeznek, különösen olyan adatok, amelyek esetében nagyon nehéz a klasszikus összefüggéseket megtalálni. A pénzügyek és az orvostudomány is ilyen problémákkal szembesülnek, és a kvantum-módszerek, mint például a kvantumgépi tanulás, nagyon jók az összefüggések megtalálásában. Hosszú lesz az út, de megéri a befektetést, hogy megcsinálják.
Mi a helyzet azzal, hogy a számításokat biztonságban tartsuk az olyan támadásokkal szemben, mint például a Shor-féle faktoring algoritmus, amely kvantummódszereket használ fel a jelenlegi nyilvános kulcsú kriptográfiai módszerek feltörésére, faktorizáción alapulóan?
Mindenki biztonságban akar lenni a Shor-algoritmussal szemben – ma már „kvantumbiztos”-nak hívják. Nagyon sok alapkutatásunk van az algoritmusokkal kapcsolatban, de fontos kérdés lesz, hogyan építsük be. Mindvégig azt vizsgáljuk, hogy ezt beépítsük-e a termékeinkbe, nem pedig kiegészítőként. És meg kell kérdeznünk, hogyan biztosíthatjuk, hogy rendelkezzünk a kvantum számára biztonságos klasszikus infrastruktúrával. Az elkövetkező néhány évben nagyon fontos lesz, hogyan alakul ez a jövő – hogyan építhetsz kvantumbiztos hardvert az alapoktól kezdve.
A siker definíciója az, amikor a legtöbb felhasználó nem is tudja, hogy kvantumszámítógépet használ
Meglepett, hogy milyen sebességgel érkezett a kvantumszámítás?
Valaki számára, aki 2000 óta olyan mélyen benne van, mint én, feltűnően közel járt az előre megjósolt úthoz. Emlékszem, hogy visszatértem egy 2011-es IBM belső ütemtervhez, és nagyon jól sikerült. Akkor azt hittem kitaláltam a dolgokat! Általában úgy érzem, hogy az emberek túlbecsülik, hogy mennyi ideig fog tartani. Ahogy egyre fejlettebbek leszünk, és az emberek kvantuminformációs ötleteket visznek ezekbe az eszközökbe, az elkövetkező néhány évben nagyobb áramköröket is futtathatunk majd. Aztán szó lesz arról, hogy milyen típusú architektúrát kell építeni, mekkorák a klaszterek, milyen típusú kommunikációs csatornákat használsz stb. Ezeket a kérdéseket az Ön által használt áramkörök típusa fogja vezérelni: hogyan kezdjünk el gépeket építeni bizonyos típusú áramkörökhöz? Az áramkörök specializációja lesz.
Milyen lesz 2030 a kvantumszámítás terén?
A siker definíciója szerint az, amikor a legtöbb felhasználó nem is tudja, hogy kvantumszámítógépet használ, mert az olyan architektúrába van beépítve, amely zökkenőmentesen működik a klasszikus számítástechnikával. A siker mértéke az lenne, hogy a legtöbb használó számára láthatatlan, de valamilyen módon javítja az életüket. Lehet, hogy a mobiltelefonja olyan alkalmazást fog használni, amely kvantumszámítógép segítségével végez becslést. 2030-ban nem leszünk ezen a szinten, de úgy gondolom, hogy addigra már nagyon nagy gépeink lesznek, és jóval meghaladják azt, amit klasszikusan tudunk.
