Phó chủ tịch IBM Quantum Jay Gambetta nói chuyện với Philip Ball về nhiều tiến bộ lượng tử của công ty trong 20 năm qua, cũng như lộ trình XNUMX năm được công bố gần đây để đạt được “lợi thế lượng tử”
Các công ty và phòng thí nghiệm nghiên cứu trên toàn cầu đang nỗ lực hướng tới việc đưa các công nghệ lượng tử non trẻ của họ ra khỏi phòng thí nghiệm và đi vào thế giới thực, với gã khổng lồ công nghệ Hoa Kỳ IBM là nhân tố chủ chốt. Tháng XNUMX năm nay, IBM Quantum tiết lộ lộ trình mới nhất của mình cho tương lai của điện toán lượng tử trong thập kỷ tới và công ty đã đặt ra một số mục tiêu đầy tham vọng. Đã thông báo của nó Bộ xử lý Eagle với 127 bit lượng tử (qubit) vào năm ngoái, công ty là hiện đang phát triển bộ xử lý Osprey 433-qubit sẽ ra mắt vào cuối năm nay, tiếp theo là Condor 2023 qubit vào năm 1121.
Nhưng ngoài ra, công ty cho biết, trò chơi sẽ chuyển sang lắp ráp các bộ xử lý như vậy thành các mạch mô-đun, trong đó các chip được kết nối với nhau thông qua các kết nối cổ điển hoặc lượng tử thưa thớt hơn. Nỗ lực đó sẽ đạt đến đỉnh điểm trong cái mà họ gọi là thiết bị Kookaburra 4158 qubit của họ vào năm 2025. Sau đó, IBM dự báo mô-đun các bộ xử lý có 100,000 qubit trở lên, có khả năng tính toán mà không có lỗi hiện đang khiến điện toán lượng tử gặp vấn đề trong việc tìm giải pháp thay thế cho tiếng ồn của các qubit. Với cách tiếp cận này, nhóm điện toán lượng tử của công ty tự tin rằng họ có thể đạt được “lợi thế lượng tử” chung, trong đó máy tính lượng tử sẽ luôn vượt trội so với máy tính cổ điển và thực hiện các phép tính phức tạp ngoài khả năng của các thiết bị cổ điển.
Khi anh ấy đang ở London trên đường đến 28th Hội nghị Solvay tại Brussels, xử lý thông tin lượng tử, Thế giới vật lý đuổi kịp nhà vật lý Jay Gambetta, phó chủ tịch của IBM Quantum. Dẫn đầu nhiều tiến bộ của công ty trong hai thập kỷ qua, Gambetta đã giải thích cách đạt được những mục tiêu này và những gì chúng sẽ đòi hỏi cho tương lai của điện toán lượng tử.
Tình trạng hiện tại của nghệ thuật tại IBM Quantum là gì? Một số thông số chính mà bạn đang tập trung vào là gì?
Lộ trình của IBM là về việc mở rộng quy mô – không chỉ số lượng qubit mà cả tốc độ, chất lượng và kiến trúc mạch của chúng. Giờ đây, chúng ta có thời gian kết hợp [khoảng thời gian mà các qubit duy trì sự nhất quán và có khả năng thực hiện tính toán lượng tử] là 300 micro giây trong bộ xử lý Eagle [so với khoảng 1 μs vào năm 2010] và thế hệ thiết bị tiếp theo sẽ đạt 300 mili giây. Và các qubit của chúng tôi [làm từ kim loại siêu dẫn] hiện có độ trung thực gần như 99.9% [chúng chỉ phát sinh một lỗi sau mỗi 1000 thao tác – tỷ lệ lỗi là 10-3]. Tôi nghĩ rằng 99.99% sẽ không phải là không thể vào cuối năm tới.
Sau đó, phép thử cuối cùng cho sự trưởng thành của máy tính lượng tử là liệu thời gian chạy lượng tử có thể cạnh tranh với thời gian chạy cổ điển hay không
Nhưng làm mọi thứ một cách thông minh sẽ trở nên quan trọng hơn là chỉ đẩy các số liệu thô. Kiến trúc bộ xử lý ngày càng trở nên quan trọng. Tôi không nghĩ rằng chúng tôi sẽ đạt được hơn 1000 qubit trên mỗi chip [như trên Condor], vì vậy bây giờ chúng tôi đang xem xét tính mô đun. Bằng cách này, chúng ta có thể có bộ xử lý 10,000 qubit vào cuối thập kỷ này. Chúng ta sẽ sử dụng cả giao tiếp cổ điển (để điều khiển thiết bị điện tử) giữa các chip và các kênh lượng tử tạo ra một số vướng víu (để thực hiện tính toán). Các kênh giữa các chip này sẽ chậm - có thể chậm hơn 100 lần so với chính các mạch. Và độ trung thực của các kênh sẽ khó đẩy lên trên 95%.
Đối với điện toán hiệu năng cao, điều thực sự quan trọng là giảm thiểu thời gian chạy – tức là giảm thiểu thời gian cần thiết để tạo ra giải pháp cho một vấn đề quan tâm. Bài kiểm tra cuối cùng cho sự trưởng thành của máy tính lượng tử là liệu thời gian chạy lượng tử có thể cạnh tranh với thời gian chạy cổ điển hay không. Về mặt lý thuyết, chúng tôi đã bắt đầu chỉ ra rằng nếu bạn có một mạch lớn mà bạn muốn chạy và bạn chia nó thành các mạch nhỏ hơn, thì mỗi khi bạn cắt giảm, bạn có thể coi đó là một chi phí cổ điển, làm tăng thời gian chạy. nhanh chóng. Vì vậy, mục tiêu là giữ mức tăng theo cấp số nhân đó càng gần 1 càng tốt.
Đối với một mạch nhất định, thời gian chạy phụ thuộc theo cấp số nhân vào tham số chúng tôi gọi là γ̄ nâng lên thành quyền lực nd, Nơi n là số qubit và d là độ sâu [số đo đường dẫn dài nhất giữa đầu vào và đầu ra của mạch, hoặc tương đương số bước thời gian cần thiết để mạch chạy]. Vì vậy, nếu chúng ta có thể nhận được b γ̄ càng gần 1 càng tốt, chúng ta sẽ đạt đến điểm có lợi thế lượng tử thực sự: không có sự tăng trưởng theo cấp số nhân trong thời gian chạy. Chúng tôi có thể giảm γ̄ thông qua các cải tiến về tính nhất quán và độ trung thực của cổng [tỷ lệ lỗi nội tại]. Cuối cùng, chúng ta sẽ đạt đến điểm bùng phát mà ở đó, ngay cả với chi phí giảm thiểu lỗi theo cấp số nhân, chúng ta vẫn có thể thu được lợi ích về thời gian chạy so với các máy tính cổ điển. Nếu bạn có thể giảm γ̄ xuống 1.001, thì thời gian chạy sẽ nhanh hơn so với khi bạn mô phỏng các mạch đó theo cách cổ điển. Tôi tin rằng chúng tôi có thể làm được điều này – với những cải tiến về độ trung thực của cổng và triệt tiêu nhiễu xuyên âm giữa các qubit, chúng tôi đã đo được γ̄ là 1.008 trên chip Falcon r10 [27-qubit].
Bạn có thể thực hiện những cải tiến đó như thế nào để giảm thiểu lỗi?
Để cải thiện độ trung thực, chúng tôi đã thực hiện một phương pháp gọi là loại bỏ lỗi xác suất [arXiv:2201.09866]. Ý tưởng là bạn gửi cho tôi khối lượng công việc và tôi sẽ gửi cho bạn kết quả đã xử lý với các ước tính rõ ràng về chúng. Bạn nói tôi muốn bạn chạy mạch này; Tôi mô tả tất cả tiếng ồn mà tôi có trong hệ thống của mình và tôi thực hiện nhiều lần chạy rồi xử lý tất cả các kết quả đó cùng nhau để cung cấp cho bạn ước tính đầu ra mạch không có tiếng ồn. Bằng cách này, chúng tôi đang bắt đầu chỉ ra rằng có khả năng sẽ có một sự liên tục từ vị trí chúng ta đang có ngày hôm nay với việc loại bỏ lỗi và giảm thiểu lỗi cho đến sửa lỗi hoàn toàn.
Vì vậy, bạn có thể đạt được điều đó mà không cần xây dựng các qubit logic sửa lỗi đầy đủ?
Qubit logic thực sự là gì? Mọi người thực sự có ý nghĩa gì bởi điều đó? Điều thực sự quan trọng là: bạn có thể chạy các mạch logic không, và làm thế nào để bạn chạy chúng theo cách mà thời gian chạy luôn nhanh hơn? Thay vì nghĩ về việc xây dựng các qubit logic, chúng tôi đang nghĩ về cách chúng tôi chạy các mạch và cung cấp cho người dùng các ước tính về câu trả lời, sau đó định lượng nó theo thời gian chạy.
Khi bạn sửa lỗi bình thường, bạn sửa những gì bạn nghĩ rằng câu trả lời sẽ có cho đến thời điểm đó. Bạn cập nhật một khung tham chiếu. Nhưng chúng tôi sẽ đạt được việc sửa lỗi thông qua giảm thiểu lỗi. Với γ̄ bằng 1, tôi sẽ sửa lỗi một cách hiệu quả, bởi vì không có chi phí chung để cải thiện các ước tính bao nhiêu tùy thích.
Bằng cách này, chúng ta sẽ có các qubit logic một cách hiệu quả, nhưng chúng sẽ được đưa vào liên tục. Vì vậy, chúng tôi đang bắt đầu nghĩ về nó ở cấp độ cao hơn. Quan điểm của chúng tôi là tạo ra, từ góc độ người dùng, một sự liên tục ngày càng nhanh hơn. Sau đó, phép thử cuối cùng cho sự trưởng thành của máy tính lượng tử là liệu thời gian chạy lượng tử có thể cạnh tranh với thời gian chạy cổ điển hay không.
Điều đó rất khác so với những gì các công ty lượng tử khác đang làm, nhưng tôi sẽ rất ngạc nhiên nếu điều này không trở thành quan điểm chung – tôi cá là bạn sẽ bắt đầu thấy mọi người so sánh thời gian chạy chứ không phải tỷ lệ sửa lỗi.
Những gì chúng tôi đang làm chỉ là tính toán nói chung và chúng tôi đang tăng tốc cho nó thông qua một bộ xử lý lượng tử
Nếu bạn tạo ra các thiết bị mô-đun với các kết nối cổ điển, điều đó có nghĩa là tương lai không thực sự là lượng tử so với cổ điển, mà là lượng tử và cổ điển?
Đúng. Kết hợp cổ điển và lượng tử với nhau sẽ cho phép bạn làm được nhiều việc hơn. Đó là cái mà tôi gọi là thặng dư lượng tử: thực hiện tính toán cổ điển một cách thông minh bằng cách sử dụng tài nguyên lượng tử.
Nếu tôi có thể vẫy một cây đũa thần, tôi sẽ không gọi nó là điện toán lượng tử. Tôi sẽ quay lại và nói rằng thực sự những gì chúng tôi đang làm chỉ là điện toán nói chung, và chúng tôi đang tăng tốc cho nó thông qua một bộ xử lý lượng tử. Tôi đã sử dụng câu khẩu hiệu “siêu máy tính lấy lượng tử làm trung tâm”. Đó thực sự là về việc đẩy mạnh tính toán bằng cách thêm lượng tử vào nó. Tôi thực sự nghĩ rằng đây sẽ là kiến trúc.
Những trở ngại kỹ thuật là gì? Có vấn đề gì không khi các thiết bị này cần làm mát bằng phương pháp đông lạnh?
Đó không thực sự là một vấn đề lớn. Một vấn đề lớn hơn là nếu chúng tôi tiếp tục lộ trình của mình, tôi lo lắng về giá của thiết bị điện tử và tất cả những thứ xung quanh nó. Để giảm những chi phí này, chúng ta cần phát triển một hệ sinh thái; và chúng ta với tư cách là một cộng đồng vẫn chưa làm đủ để tạo ra môi trường đó. Tôi không thấy nhiều người chỉ tập trung vào thiết bị điện tử, nhưng tôi nghĩ điều đó sẽ xảy ra.
Có phải tất cả khoa học bây giờ đã được thực hiện, vì vậy bây giờ nó là vấn đề của kỹ thuật?
Sẽ luôn có khoa học để làm, đặc biệt là khi bạn vạch ra con đường này từ giảm thiểu lỗi đến sửa lỗi. Loại kết nối nào bạn muốn tích hợp vào chip? các kết nối là gì? Đây đều là khoa học cơ bản. Tôi nghĩ chúng ta vẫn có thể đẩy tỷ lệ lỗi lên 10-5. Cá nhân tôi không thích dán nhãn cho những thứ là “khoa học” hay “công nghệ”; chúng tôi đang xây dựng một sự đổi mới. Tôi nghĩ rằng chắc chắn có một sự chuyển đổi để những thiết bị này trở thành công cụ, và câu hỏi trở thành cách chúng ta sử dụng những thứ này cho khoa học, thay vì khoa học tạo ra công cụ.
Bạn có lo lắng có thể có một bong bóng lượng tử?
Không. Tôi nghĩ rằng lợi thế lượng tử có thể được chia thành hai điều. Đầu tiên, làm thế nào để bạn thực sự chạy các mạch nhanh hơn trên phần cứng lượng tử? Tôi tự tin rằng tôi có thể đưa ra dự đoán về điều đó. Và thứ hai, bạn thực sự sử dụng các mạch này như thế nào và liên hệ chúng với các ứng dụng như thế nào? Tại sao một phương pháp dựa trên lượng tử hoạt động tốt hơn chỉ một phương pháp cổ điển? Đó là những câu hỏi khoa học rất khó. Và chúng là những câu hỏi mà các nhà vật lý năng lượng cao, nhà khoa học vật liệu và nhà hóa học lượng tử đều quan tâm. Tôi nghĩ chắc chắn sẽ có nhu cầu – chúng ta đã thấy rồi. Chúng tôi đang thấy một số doanh nghiệp kinh doanh cũng quan tâm, nhưng sẽ mất một thời gian để tìm ra giải pháp thực sự, thay vì lượng tử là một công cụ để thực hiện khoa học.
Tôi thấy đây là một quá trình chuyển đổi suôn sẻ. Một lĩnh vực ứng dụng tiềm năng lớn là các bài toán có dữ liệu với một số loại cấu trúc, đặc biệt là dữ liệu mà rất khó để tìm ra các mối tương quan theo kiểu cổ điển. Tài chính và y học đều phải đối mặt với những vấn đề như vậy và các phương pháp lượng tử như học máy lượng tử rất tốt trong việc tìm ra mối tương quan. Đó sẽ là một con đường dài, nhưng rất đáng để họ đầu tư để làm điều đó.
Điều gì về việc giữ cho tính toán an toàn trước các cuộc tấn công như thuật toán bao thanh toán của Shor, thuật toán khai thác các phương pháp lượng tử để bẻ khóa các phương pháp mã hóa khóa công khai hiện tại, dựa trên phân tích thừa số?
Mọi người đều muốn được an toàn trước thuật toán của Shor – nó hiện được gọi là “an toàn lượng tử”. Chúng tôi đã có rất nhiều nghiên cứu cơ bản về các thuật toán, nhưng làm thế nào để xây dựng nó sẽ trở thành một câu hỏi quan trọng. Chúng tôi đang nghiên cứu việc tích hợp tính năng này vào các sản phẩm của mình, thay vì dưới dạng một tiện ích bổ sung. Và chúng ta cần hỏi làm thế nào chúng ta đảm bảo rằng chúng ta có cơ sở hạ tầng cổ điển an toàn cho lượng tử. Tương lai đó diễn ra như thế nào sẽ rất quan trọng trong vài năm tới – cách bạn xây dựng phần cứng an toàn lượng tử ngay từ đầu.
Định nghĩa thành công của tôi là khi hầu hết người dùng thậm chí không biết họ đang sử dụng máy tính lượng tử
Bạn có ngạc nhiên về tốc độ mà điện toán lượng tử đạt được không?
Đối với một người đã ở trong đó sâu như tôi từ năm 2000, nó đã đi rất gần với con đường đã được dự đoán. Tôi nhớ đã quay lại một lộ trình nội bộ của IBM từ năm 2011 và nó rất phù hợp. Tôi nghĩ rằng tôi đã làm cho mọi thứ sau đó! Nói chung, tôi cảm thấy như thể mọi người đang đánh giá quá cao thời gian cần thiết. Khi chúng ta ngày càng tiến bộ hơn và mọi người đưa ý tưởng thông tin lượng tử vào các thiết bị này, thì trong vài năm tới, chúng ta sẽ có thể chạy các mạch điện lớn hơn. Sau đó, sẽ là về loại kiến trúc bạn cần xây dựng, kích thước của các cụm, loại kênh liên lạc bạn sử dụng, v.v. Những câu hỏi này sẽ được thúc đẩy bởi loại mạch bạn đang chạy: làm thế nào để chúng ta bắt đầu chế tạo máy cho một số loại mạch nhất định? Sẽ có một chuyên môn hóa của các mạch.
Điện toán lượng tử sẽ như thế nào vào năm 2030?
Định nghĩa của tôi về thành công là khi hầu hết người dùng thậm chí không biết họ đang sử dụng máy tính lượng tử, bởi vì nó được tích hợp vào một kiến trúc hoạt động trơn tru với điện toán cổ điển. Thước đo thành công khi đó sẽ là nó vô hình đối với hầu hết những người sử dụng nó, nhưng nó cải thiện cuộc sống của họ theo một cách nào đó. Có thể điện thoại di động của bạn sẽ sử dụng một ứng dụng thực hiện ước tính của nó bằng máy tính lượng tử. Vào năm 2030, chúng ta sẽ không đạt đến mức đó nhưng tôi nghĩ đến lúc đó chúng ta sẽ có những cỗ máy rất lớn và chúng sẽ vượt xa những gì chúng ta có thể làm theo cách cổ điển.
