Microsofts spring til fejltolerant kvantecomputering med Azure Quantum

Kvantecomputering, med dens løfte om at løse komplekse problemer, som klassiske computere kæmper med, har været et emne for intens forskning og udvikling. Microsoft, en nøgleaktør i kvantecomputeringfeltet, gør betydelige fremskridt mod at opnå fejltolerant kvantecomputering i stor skala gennem sin Azure Quantum-platform. Denne artikel tager en nærmere kig på disse udviklinger, forklarer deres betydning og overvejer, hvordan de kan forme fremtiden for computering.

Kvantecomputering i stor skala: En nødvendighed

I jagten på at bruge kvantecomputering til at løse nogle af de største udfordringer som klimaforandringer og medicinske gennembrud, estimerer eksperter, at vi ville have brug for kvantecomputere drevet af mindst en million qubits. En qubit, kort for kvantebit, er den grundlæggende enhed for information i kvantecomputering. I modsætning til klassiske bits, der kun kan eksistere i en af to tilstande, 0 eller 1, på et givent tidspunkt, kan qubits eksistere i en superposition af tilstande. Dette betyder, at en qubit kan være i en tilstand, der repræsenterer både 0 og 1 samtidig. Desuden kan qubits være forbundet med hinanden, hvor tilstanden af en qubit afhænger af tilstanden af en anden qubit. Dette giver qubits mulighed for at kode kompleks information og parallelt behandlingsevne, der overgår klassisk computering. Imidlertid har qubits brug for at være både stabile og kontrollerbare for at udføre disse komplekse beregninger effektivt.

At opnå denne skala – udvikling af en kvantecomputer med en million qubits – er en enorm udfordring. For tiden kræver selv styring af få qubits avanceret teknologi og præcis kontrol. At skala op til en million qubits multiplicerer disse udfordringer i forhold til at opretholde qubit-stabilitet og sikre fejlfrigående operationer over så stor en skala.

Udfordringen med qubits’ følsomhed

En af de vigtigste udfordringer i kvantecomputering er qubits’ følsomhed over for fejl. Selv mindre ændringer i miljøet kan føre til fejl, der væsentligt påvirker kvantecomputernes pålidelighed til praktisk brug. Desuden kan selv små fejl have en stor indvirkning på processerne i kvantecomputering. For eksempel, selvom en troværdighedsrate på 99,9% synes rimelig, hvilket betyder, at fejl sker kun en gang ud af 1.000 operationer, er det ret højt for kvantecomputering, hvor operationer løber ind i millioner af qubits for at løse komplekse problemer. Dette kan føre til mange fejl, der akkumulerer sig og gør resultaterne mindre pålidelige.

For at kvantecomputere kan fungere effektivt og pålideligt, har de brug for at udføre disse operationer med ekstrem nøjagtighed over lange perioder. Dette krav bliver mere formidabelt, når systemet udvides for at håndtere komplekse beregninger mere effektivt.

Fejlkorrektion ved hjælp af logiske qubits

At forbedre robustheden mod fejl er afgørende for at forbedre kvantecomputingens pålidelighed og skalerbarhed. Forskere udvikler aktivt fejldetektions- og fejlkorrektionsstrategier på både fysisk og logisk niveau for qubits. Mens en simpel forbedring af fysisk qubits’ troværdighed måske ikke fuldt ud løser problemet, tilbyder brugen af logiske qubits en lovende vej fremad.

Logiske qubits fungerer som repetitionskoder i klassisk computering, hvor information kopieres over flere bits for at beskytte mod fejl. Imidlertid, på grund af no-cloning-teoremet i fysik, er direkte kopiering af qubits ikke mulig. I stedet spreder kvantefejlkorrektion tilstanden af en logisk qubit over flere fysisk qubits. Denne redundans giver mulighed for at detektere og korrigere fejl i enkeltfysisk qubits, hvilket opretholder integriteten af kvantinformationen og reducerer fejlratningen betydeligt. Ved at danne en enkelt logisk qubit fra flere fysisk qubits, introducerer denne metode fejltolerance. Selvom nogle fysisk qubits fejler, forbliver tilstanden af den logiske qubit intakt, bestemt af de uforandrede fysisk qubits. Dette øger betydeligt stabiliteten og pålideligheden af kvantecomputere, hvilket giver dem mulighed for at håndtere mere komplekse og længere beregninger. Imidlertid kræver dette en velovervejet system med omhyggeligt designede hardware og software for at håndtere fejl effektivt.

Microsoft og Quantinuum’s fejlreduktionsgennembrud

I et nyligt samarbejde har Microsoft og Quantinuum succesfuldt løst den længevarende udfordring med qubits’ sårbarhed over for fejl. De opnåede dette ved at integrere Quantinuum’s hardware-system med Microsoft’s qubit-virtualisering eller logisk qubit-system, hvilket resulterede i et integreret og robust system, der opnåede en imponerende 800-gangs forbedring af fejlhåndtering. Denne integration tillod forskerne at udføre 14.000 uafhængige instanser uden at møde nogen fejl. Centralt for denne præstation er Microsoft’s qubit-virtualiseringssystem, der konverterer fysisk qubits til logiske qubits og udfører fejlkorrektion. Gennem dette virtualiseringssystem kunne de producere fire stabile logiske qubits fra kun 30 af Quantinuum’s 32 fysisk qubits, hvilket viste en ekstremt lav fejlrate på 0,00001, hvilket indikerer en fejl per 100.000 operationer.

At forstå betydningen af denne udvikling bliver mere tydelig, når vi tænker på at reducere fejlraten med 800 gange, hvilket er som at forbedre en signal med 29 dB, lignende oplevelsen af at bruge en højkvalitets støjreducerende hovedtelefon. Tænk på baggrundsstøjen på et fly som støj fra fysisk qubits. Ligesom hovedtelefonen reducerer støjen for bedre musiklytning, hjælper qubit-virtualiseringssystemet med at reducere fejl, der skyldes fysisk qubits under kvantecomputering-opgaver.

Indvirkningen ud over fejlreduktion

Samarbejdet mellem Quantinuum’s hardware og Microsoft’s qubit-virtualiseringssystemer strækker sig ud over blot fejlreduktion. Ved at integrere disse teknologier får forskerne en stabil platform til at udvikle og implementere komplekse kvantualgoritmer. Denne udvikling kunne opmuntre til innovation inden for områder som materialevidenskab og kryptografi og forbedre tilgængeligheden af kvantecomputing-teknologier. Da platformen fortsætter med at modnes og bliver mere tilgængelig, kan den måske udvide adgangen til kvantecomputering, hvilket giver flere videnskabsmænd og institutioner mulighed for at engagere sig i avanceret forskning.

Resultatet

Microsofts jagt på fejltolerant kvantecomputering gennem Azure Quantum markerer et transformerende spring i beregningsmuligheder. Mens fokus har været på fejlreduktion, afslører integrationen af Quantinuum’s kvantehardware og Microsoft’s qubit-virtualiseringssystemer en række muligheder ud over blot fejlreduktion. Denne udvikling ikke kun forbedrer fejlhåndtering, men etablerer en robust grundlag for at udforske komplekse kvantualgoritmer. Ved at brokke gab mellem hardware og virtualisering giver Microsoft forskerne mulighed for at udforske nye grænser inden for videnskabelige områder som materialevidenskab og kryptografi.