מדוע תיקון שגיאות הוא האתגר המכונן של המחשוב הקוונטי - עולם הפיזיקה

<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="ניצול היתרון שלהם מחשבים קוונטיים יהפכו שימושיים רק ברגע שכלי חומרה ותוכנה יוכלו לשלוט בקיוביטים לא יציבים מטבעם. (באדיבות: ריברליין)">

"אין טיעונים משכנעים המצביעים על כך שיימצאו יישומים ראויים מבחינה מסחרית לא השתמש בקודי תיקון שגיאות קוונטי ובמחשוב קוונטי סובלני לתקלות." כך אמר הפיזיקאי של קלטק ג'ון פרסקיל במהלך שיחה בסוף 2023 במפגש Q2B23 בקליפורניה. פשוט למדי, כל מי שרוצה לבנות מחשב קוונטי מעשי יצטרך למצוא דרך להתמודד עם שגיאות.

מחשבים קוונטיים נעשים חזקים יותר ויותר, אבל אבני הבניין הבסיסיות שלהם - סיביות קוונטיות, או קיוביטים - נוטים מאוד לשגיאות, מה שמגביל את השימוש הנרחב שלהם. זה לא מספיק פשוט לבנות מחשבים קוונטיים עם יותר וטובים יותר קיוביטים. שחרור מלוא הפוטנציאל של יישומי מחשוב קוונטי ידרוש כלי חומרה ותוכנה חדשים שיכולים לשלוט בקיוביטים לא יציבים מטבעם ולתקן באופן מקיף שגיאות מערכת פי 10 מיליארד או יותר בשנייה.

דבריו של Preskill הכריזו בעצם על שחר מה שנקרא תיקון שגיאות קוונטי עידן (QEC). QEC זה לא רעיון חדש וחברות מפתחות במשך שנים רבות טכנולוגיות להגנה על המידע המאוחסן בקיוביטים מפני שגיאות וחוסר קוהרנטיות הנגרמות מרעש. מה שחדש, לעומת זאת, הוא ויתור על הרעיון שהמכשירים הרועשים בקנה מידה בינוני (NISQ) של ימינו יכולים לעלות על מחשבי העל הקלאסיים ולהריץ יישומים שכרגע בלתי אפשריים.

בטח, NISQ - מונח שנטבע על ידי Preskill - היה אבן דרך חשובה במסע לסובלנות תקלות. אבל התעשייה הקוונטית, המשקיעים והממשלות חייבים כעת להבין שתיקון שגיאות הוא האתגר המכונן של המחשוב הקוונטי.

עניין של זמן

QEC כבר ראתה התקדמות חסרת תקדים בשנה האחרונה בלבד. בשנת 2023 Google הוכיח שמערכת של 17 קיוביטים יכולה להתאושש משגיאה בודדת ומערכת של 49 קיוביטים משתי שגיאות (טבע 614 676). אמזון בעברית שחרר שבב שדיכא שגיאות 100 פעמים, תוך כדי מדעני IBM גילתה סכמה חדשה לתיקון שגיאות שעובדת עם פי 10 פחות קיוביטים (arXiv: 2308.07915). ואז, בסוף השנה, הספין-אאוט הקוונטי של אוניברסיטת הרווארד הפיק את המספר הגדול ביותר של קיוביטים מתוקנים בשגיאות .

פענוח, שהופך קיוביטים פיזיים לא אמינים רבים לקיוביט "לוגי" אמין אחד או יותר, הוא טכנולוגיית ליבה של QEC. הסיבה לכך היא שמחשבים קוונטיים בקנה מידה גדול ייצרו טרה-בייט של נתונים בכל שנייה שיש לפענח מהר ככל שהם נרכשים כדי לעצור שגיאות שמתפשטות והופכות חישובים חסרי תועלת. אם לא נפענח מהר מספיק, נעמוד בפני א צבר נתונים גדל באופן אקספוננציאלי.

החברה שלי - Riverlane - הוצגה בשנה שעברה המפענח הקוונטי החזק ביותר בעולם. המפענח שלנו פותר את בעיית העומס הזו אבל עדיין יש עוד הרבה עבודה לעשות. החברה מפתחת כעת "מפענחי סטרימינג" שיכולים לעבד זרמים רציפים של תוצאות מדידה כשהן מגיעות, לא לאחר סיום הניסוי. ברגע שנגיע למטרה הזו, יש עוד עבודה לעשות. ומפענחים הם רק היבט אחד של QEC - אנו זקוקים גם ל"מערכות בקרה" בעלות דיוק גבוה ומהירות גבוהה כדי לקרוא ולכתוב את הקיוביטים.

ככל שמחשבים קוונטיים ממשיכים להתרחב, מערכות המפענח והבקרה הללו חייבות לעבוד יחד כדי לייצר קיוביטים לוגיים נטולי שגיאות, ועד שנת 2026, ריברליין שואפת לבנות מפענח אדפטיבי, או בזמן אמת. המכונות של היום מסוגלות לבצע רק כמה מאות פעולות נטולות שגיאות, אך פיתוחים עתידיים יעבדו עם מחשבים קוונטיים המסוגלים לעבד מיליון פעולות קוונטיות נטולות שגיאות (המכונה MegaQuOp).

ריברליין לא לבד במאמצים כאלה וחברות קוונטיות אחרות נותנות כעת עדיפות ל-QEC. IBM לא עבדה בעבר על טכנולוגיית QEC, והתמקדה במקום זאת בקיוביטים נוספים וטובים יותר. אבל של החברה מפת הדרכים הקוונטית לשנת 2033 קובעת ש-IBM שואפת לבנות עד סוף העשור מכונה של 1000 קיוביטים שמסוגלת לחישובים שימושיים - כמו הדמיה של פעולת מולקולות זרז.

Quera, בינתיים, חשפה לאחרונה את מפת הדרכים שלה זה גם נותן עדיפות ל-QEC, בעוד שה האסטרטגיה הקוונטית הלאומית של בריטניה שואפת לבנות מחשבים קוונטיים המסוגלים להריץ טריליון פעולות נטולות שגיאות (TeraQuOps) עד 2035. מדינות אחרות פרסמו תוכניות דומות ויעד 2035 מרגיש בר השגה, בין השאר בגלל שקהילת המחשוב הקוונטי מתחילה לשאוף לקטן יותר, מצטבר - אבל שאפתניים לא פחות - מטרות.

מה שבאמת מרגש אותי באסטרטגיית הקוונטים הלאומית של בריטניה היא המטרה שתהיה מכונת MegaQuOp עד 2028. שוב, זהו יעד ריאלי – למעשה, אפילו הייתי טוען שנגיע למשטר MegaQuOp מוקדם יותר, וזו הסיבה פתרון ה-QEC של Riverlane, Deltaflow, יהיה מוכן לעבוד עם מכונות ה-MegaQuOp הללו עד 2026. אנחנו לא צריכים שום פיזיקה חדשה באופן קיצוני כדי לבנות מחשב קוונטי של MegaQuOp – ומכונה כזו תעזור לנו להבין טוב יותר שגיאות קוונטיות ולפרופיל אותן.

ברגע שנבין את השגיאות הללו, נוכל להתחיל לתקן אותן ולהמשיך לעבר מכונות TeraQuOp. ה-TeraQuOp הוא גם יעד צף - וכזה שבו שיפורים הן ב-QEC והן במקומות אחרים עלולים להביא לכך שהיעד ל-2035 יוגש כמה שנים קודם לכן.

זה רק עניין של זמן עד שמחשבים קוונטיים יהיו שימושיים לחברה. ועכשיו, כשיש לנו התמקדות מתואמת בתיקון שגיאות קוונטי, נגיע לנקודת המפנה הזו במוקדם ולא במאוחר.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/why-error-correction-is-quantum-computings-defining-challenge/