Een kwantumvoordeel maken: IBM's Jay Gambetta over naadloze integratie van kwantum en klassieke computers

Bedrijven en onderzoekslaboratoria over de hele wereld werken eraan om hun ontluikende kwantumtechnologieën uit het laboratorium en in de echte wereld te krijgen, met de Amerikaanse technologiegigant IBM als een belangrijke speler. In mei van dit jaar IBM Quantum heeft zijn nieuwste roadmap onthuld voor de toekomst van kwantumcomputing in het komende decennium, en het bedrijf heeft een aantal ambitieuze doelen gesteld. Het aangekondigd hebben Eagle-processor met 127 quantumbits (qubits) vorig jaar, het bedrijf is ontwikkelt nu de 433-qubit Osprey-processor voor een debuut later dit jaar, in 2023 gevolgd door de 1121-qubit Condor.

Maar afgezien daarvan, zegt het bedrijf, zal het spel overschakelen naar het assembleren van dergelijke processors in modulaire circuits, waarin de chips met elkaar worden verbonden via dunnere kwantum- of klassieke verbindingen. Die inspanning zal uitmonden in wat zij hun 4158-qubit Kookaburra-apparaat in 2025 noemen. processors met 100,000 of meer qubits, die in staat zijn om te rekenen zonder de fouten die kwantumcomputing momenteel een kwestie maken van tijdelijke oplossingen voor de ruis van de qubits. Met deze aanpak heeft het kwantumcomputingteam van het bedrijf er alle vertrouwen in dat het een algemeen 'kwantumvoordeel' kan behalen, waarbij kwantumcomputers consequent beter presteren dan klassieke computers en complexe berekeningen uitvoeren die de middelen van klassieke apparaten te boven gaan.

Terwijl hij in Londen was op weg naar de 28th Solvay-conferentie in Brussel, die kwantuminformatie aanpakte, Natuurkunde wereld ingehaald door natuurkundige Jay Gambetta, vice-president van IBM Quantum. Gambetta, die de afgelopen twee decennia een groot deel van de vorderingen van het bedrijf heeft geleid, legde uit hoe deze doelen kunnen worden bereikt en wat ze zullen betekenen voor de toekomst van kwantumcomputing.

Wat is de huidige stand van zaken bij IBM Quantum? Wat zijn enkele van de belangrijkste parameters waarop u zich richt?

De IBM-roadmap gaat over opschalen – niet alleen het aantal qubits, maar ook hun snelheid, kwaliteit en circuitarchitectuur. We hebben nu coherentietijden [de duur gedurende welke de qubits coherent blijven en in staat zijn om een ​​kwantumberekening uit te voeren] van 300 microseconden in de Eagle-processor [vergeleken met ongeveer 1 μs in 2010], en de volgende generatie apparaten zal 300 milliseconden bereiken. En onze qubits [gemaakt van supergeleidende metalen] hebben nu een betrouwbaarheid van bijna 99.9% [ze maken slechts één fout per 1000 operaties – een foutenpercentage van 10^-3]. Ik denk dat 99.99% eind volgend jaar niet onmogelijk zou zijn.

De ultieme lakmoesproef voor de volwassenheid van kwantumcomputers is dus of kwantumlooptijd kan concurreren met klassieke looptijd

Maar dingen op een intelligente manier doen zal belangrijker worden dan alleen maar het pushen van de ruwe cijfers. De processorarchitectuur wordt steeds belangrijker. Ik denk niet dat we veel verder dan 1000 qubits per chip zullen komen [zoals op de Condor], dus nu kijken we naar modulariteit. Op deze manier kunnen we tegen het einde van dit decennium processoren van 10,000 qubits bereiken. We gaan zowel klassieke communicatie (om de elektronica te besturen) tussen chips gebruiken, als kwantumkanalen die enige verstrengeling creëren (om berekeningen uit te voeren). Deze kanalen tussen de chips zullen langzaam zijn – misschien wel honderd keer langzamer dan de circuits zelf. En de betrouwbaarheid van de kanalen zal moeilijk boven de 100% te brengen zijn.

Voor high-performance computing gaat het er echt om de runtime te minimaliseren, dat wil zeggen, de tijd die nodig is om een ​​oplossing voor een interessant probleem te genereren, tot een minimum te beperken. De ultieme lakmoesproef voor de volwassenheid van kwantumcomputers is of kwantumruntime kan concurreren met klassieke runtime. We zijn theoretisch begonnen aan te tonen dat als je een groot circuit hebt dat je wilt gebruiken, en je verdeelt het in kleinere circuits, je elke keer dat je een snede maakt, dit kunt zien als klassieke kosten die de looptijd verlengen. exponentieel. Het doel is dus om die exponentiële stijging zo dicht mogelijk bij 1 te houden.

Voor een bepaald circuit hangt de looptijd exponentieel af van a parameter noemen we γ̄ verheven tot de macht nd, Waar n is het aantal qubits en d is de diepte [een maat voor het langste pad tussen de invoer en uitvoer van het circuit, of equivalent het aantal tijdstappen dat nodig is om het circuit te laten werken]. Dus als we b γ̄ zo dicht mogelijk bij 1 kunnen krijgen, komen we op een punt waar er echt kwantumvoordeel is: geen exponentiële groei in runtime. We kunnen γ̄ verminderen door verbeteringen in coherentie en poortgetrouwheid [intrinsieke foutenmarge]. Uiteindelijk zullen we een omslagpunt bereiken waarop we, zelfs met de exponentiële overhead van foutbeperking, runtime-voordelen kunnen behalen ten opzichte van klassieke computers. Als je γ̄ kunt terugbrengen tot 1.001, is de looptijd sneller dan wanneer je die circuits klassiek zou simuleren. Ik ben ervan overtuigd dat we dit kunnen doen - met verbeteringen in gate-getrouwheid en onderdrukte overspraak tussen qubits, hebben we al een γ̄ van 1.008 gemeten op de Falcon r10 [27-qubit]-chip.

Hoe kunt u die verbeteringen aanbrengen voor foutbeperking?

Om de getrouwheid te verbeteren, hebben we gekozen voor een benadering die probabilistische foutannulering wordt genoemd [arXiv:2201.09866]. Het idee is dat u mij werklasten stuurt en ik u verwerkte resultaten met ruisvrije schattingen ervan stuur. Je zegt dat ik wil dat je dit circuit leidt; Ik typeer alle ruis die ik in mijn systeem heb, en ik maak veel runs en verwerk al die resultaten samen om je een ruisvrije schatting te geven van de circuitoutput. Op deze manier beginnen we aan te tonen dat er waarschijnlijk een continuüm is van waar we nu zijn met foutonderdrukking en foutbeperking tot volledige foutcorrectie.

Zodat u daar kunt komen zonder volledig foutcorrigerende logische qubits te bouwen?

Wat is een logische qubit eigenlijk? Wat bedoelen mensen daar eigenlijk mee? Waar het echt om gaat, is: kun je logische circuits uitvoeren en hoe voer je ze zo uit dat de looptijd steeds sneller wordt? In plaats van na te denken over het bouwen van logische qubits, denken we na over hoe we circuits uitvoeren en gebruikers schattingen geven van het antwoord, en dit vervolgens kwantificeren op basis van de looptijd.

Wanneer u normale foutcorrectie uitvoert, corrigeert u wat u tot dan toe dacht dat het antwoord zou zijn geweest. U werkt een referentiekader bij. Maar we zullen foutcorrectie bereiken via foutbeperking. Met γ̄ gelijk aan 1, heb ik in feite foutcorrectie, omdat er geen overhead is om de schattingen zoveel te verbeteren als u wilt.

Op deze manier hebben we in feite logische qubits, maar ze worden continu ingevoegd. Dus we beginnen er op een hoger niveau over na te denken. Onze visie is om vanuit het perspectief van de gebruiker een continuüm te creëren dat alleen maar sneller en sneller wordt. De ultieme lakmoesproef voor de volwassenheid van kwantumcomputers is dus of kwantumlooptijd kan concurreren met klassieke looptijd.

Dat is heel anders dan wat andere kwantumbedrijven doen, maar het zou me zeer verbazen als dit niet de algemene opvatting wordt – ik wed dat je mensen looptijden gaat vergelijken, niet foutcorrectiepercentages.

Wat we doen is gewoon computeren in het algemeen, en we geven het een boost door middel van een kwantumprocessor

Als je modulaire apparaten maakt met klassieke verbindingen, betekent dat dan dat de toekomst niet echt kwantum versus klassiek is, maar kwantum en klassiek?

Ja. Door klassiek en kwantum samen te brengen, kun je meer doen. Dat is wat ik kwantumoverschot noem: klassiek computergebruik op een slimme manier doen met behulp van kwantumbronnen.

Als ik met een toverstaf zou kunnen zwaaien, zou ik het geen quantum computing noemen. Ik zou teruggaan en zeggen dat wat we doen eigenlijk gewoon computeren in het algemeen is, en we geven het een boost door middel van een kwantumprocessor. Ik gebruik de slogan 'kwantumcentrische supercomputing'. Het gaat echt om het versnellen van computers door er kwantum aan toe te voegen. Ik denk echt dat dit de architectuur zal zijn.

Wat zijn de technische obstakels? Maakt het uit dat deze apparaten bijvoorbeeld cryogene koeling nodig hebben?

Dat is niet echt erg. Een groter probleem is dat als we doorgaan op onze routekaart, ik me zorgen maak over de prijs van de elektronica en alle dingen die eromheen gaan. Om deze kosten te verlagen, moeten we een ecosysteem ontwikkelen; en wij als gemeenschap doen nog steeds niet genoeg om die omgeving te creëren. Ik zie niet veel mensen die zich alleen op de elektronica concentreren, maar ik denk dat het zal gebeuren.

Is alle wetenschap nu gedaan, zodat het nu meer een kwestie van techniek is?

Er zal altijd wetenschap te doen zijn, vooral als je dit pad van foutbeperking naar foutcorrectie in kaart brengt. Welk type connectiviteit wil je in de chip inbouwen? Wat zijn de verbindingen? Dit zijn allemaal fundamentele wetenschap. Ik denk dat we het foutenpercentage nog steeds naar 10 kunnen brengen^-5. Persoonlijk houd ik er niet van dingen als 'wetenschap' of 'technologie' te bestempelen; we bouwen aan een innovatie. Ik denk dat er zeker een overgang is naar deze apparaten die hulpmiddelen worden, en de vraag wordt hoe we deze dingen voor de wetenschap gebruiken, in plaats van over de wetenschap van het maken van de tool.

Ben je bang dat er een kwantumbubbel ontstaat?

Nee. Ik denk dat kwantumvoordeel in twee dingen kan worden opgedeeld. Ten eerste: hoe laat je circuits eigenlijk sneller draaien op kwantumhardware? Ik weet zeker dat ik daar voorspellingen over kan doen. En ten tweede, hoe gebruik je deze circuits eigenlijk en breng je ze in verband met toepassingen? Waarom werkt een op kwantum gebaseerde methode beter dan alleen een klassieke methode? Dat zijn zeer moeilijke wetenschappelijke vragen. En het zijn vragen waar hoge-energiefysici, materiaalwetenschappers en kwantumchemici allemaal in geïnteresseerd zijn. Ik denk dat er zeker vraag zal zijn - we zien het al. We zien dat sommige zakelijke ondernemingen ook geïnteresseerd raken, maar het zal even duren om echte oplossingen te vinden, in plaats van dat kwantum een ​​hulpmiddel is om wetenschap te bedrijven.

Ik zie dit als een soepele overgang. Een groot potentieel toepassingsgebied zijn problemen met gegevens met een bepaalde structuur, met name gegevens waarvoor het heel moeilijk is om klassieke correlaties te vinden. Financiën en geneeskunde hebben beide met dergelijke problemen te maken, en kwantummethoden zoals kwantummachine-learning zijn erg goed in het vinden van correlaties. Het wordt een lange weg, maar het is de investering voor hen waard om het te doen.

Hoe zit het met het beveiligen van de berekening tegen bijvoorbeeld aanvallen zoals het factoralgoritme van Shor, dat kwantummethoden gebruikt om de huidige cryptografische methoden met openbare sleutel te kraken, gebaseerd op factorisatie?

Iedereen wil veilig zijn tegen het algoritme van Shor - het wordt nu "kwantumveilig" genoemd. We hebben veel fundamenteel onderzoek naar de algoritmen, maar hoe we het inbouwen, wordt een belangrijke vraag. We onderzoeken dit al die tijd in onze producten in te bouwen, in plaats van als een add-on. En we moeten ons afvragen hoe we ervoor zorgen dat we de klassieke infrastructuur hebben die veilig is voor kwantum. Hoe die toekomst zich afspeelt, wordt de komende jaren heel belangrijk: hoe je vanaf de grond af kwantumveilige hardware bouwt.

Mijn definitie van succes is wanneer de meeste gebruikers niet eens weten dat ze een kwantumcomputer gebruiken

Ben je verrast door de snelheid waarmee kwantumcomputing is aangekomen?

Voor iemand die er sinds 2000 net zo diep in zit als ik, is het opmerkelijk dicht bij het pad gevolgd dat was voorspeld. Ik herinner me dat ik terugging naar een interne IBM-roadmap uit 2011 en die was behoorlijk goed. Ik dacht toen dat ik dingen verzon! Over het algemeen heb ik het gevoel dat mensen overschatten hoe lang het duurt. Naarmate we steeds geavanceerder worden en mensen kwantuminformatie-ideeën naar deze apparaten brengen, zullen we in de komende jaren grotere circuits kunnen gebruiken. Dan gaat het erom wat voor soort architectuur je moet bouwen, hoe groot de clusters zijn, welke soorten communicatiekanalen je gebruikt, enzovoort. Deze vragen worden bepaald door het soort circuits dat u gebruikt: hoe beginnen we met het bouwen van machines voor bepaalde soorten circuits? Er komt een specialisatie van circuits.

Hoe ziet 2030 eruit voor quantumcomputing?

Mijn definitie van succes is wanneer de meeste gebruikers niet eens weten dat ze een kwantumcomputer gebruiken, omdat deze is ingebouwd in een architectuur die naadloos samenwerkt met klassieke computers. De maatstaf voor succes zou dan zijn dat het onzichtbaar is voor de meeste mensen die het gebruiken, maar het verbetert hun leven op de een of andere manier. Misschien gebruikt uw mobiele telefoon een app die zijn schatting doet met behulp van een kwantumcomputer. In 2030 zullen we niet op dat niveau zijn, maar ik denk dat we tegen die tijd zeer grote machines zullen hebben en die zullen veel verder gaan dan wat we klassiek kunnen doen.