Microsofts spring til fejltilstandsfrit kvantecomputing med Azure Quantum

Kvantecomputing, 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 kvantecomputingfeltet, gør betydelige fremskridt mod at opnå fejltilstandsfrit kvantecomputing 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 fremtidens computering.

Kvant i stor skala: En nødvendighed

I jagten på at bruge kvantecomputing til at løse nogle af de største udfordringer som klimaforandring og medicinske gennembrud, eksperter estimerer, 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 kvantecomputing. 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 sammenkoblet med hinanden, hvor tilstanden af en qubit afhænger af tilstanden af en anden qubit. Dette muliggør, at qubits kan kode komplekse informationer og parallelt behandlingsevner, der overgår klassisk computing. Men qubits skal 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. I øjeblikket kræver selv at styre 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 fejlfri operationer over så stor en skala.

Udfordringen med qubits’ følsomhed

En af de nøgleudsfordringer i kvantecomputing er qubits’ følsomhed over for fejl. Selv mindre miljømæssige ændringer kan føre til fejl, der væsentligt påvirker kvantecomputernes pålidelighed til praktisk brug. Desuden kan selv små fejl have en stor indvirkning på processerne i kvantecomputing. For eksempel, selvom en fidusgrad på 99,9% synes rimelig, hvilket betyder, at fejl kun sker en gang ud af 1.000 operationer, er det ret højt for kvantecomputing, 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 kvantecomputere at fungere effektivt og pålideligt skal de udføre disse operationer med ekstrem nøjagtighed over lange perioder. Denne krav bliver mere formidabel, da 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 korrektionsstrategier på både fysiske og logiske niveauer af qubits. Mens en blot forbedring af fysiske qubits’ fidus måske ikke fuldt ud løser problemet, tilbyder brugen af logiske qubits en lovende vej fremad.

Logiske qubits fungerer som repetitionskoder i klassisk computing, hvor informationer duplikeres over flere bits for at beskytte mod fejl. Men på grund af no-cloning-teoremet i fysikken er direkte replikering af qubits ikke mulig. I stedet spreder kvantefejlkorrektion tilstanden af en logisk qubit over flere fysiske qubits. Denne redundans muliggør detektion og korrektion af fejl i enkeltfysiske qubits, hvilket opretholder integriteten af kvantinformationen og reducerer fejlraten betydeligt. Ved at danne en enkelt logisk qubit fra flere fysiske qubits introduceres fejltilstand. Selvom nogle fysiske qubits fejler, forbliver tilstanden af den logiske qubit intakt, bestemt af de uændrede fysiske qubits. Dette forbedrer betydeligt stabiliteten og pålideligheden af kvantecomputere, så de kan håndtere mere komplekse og længere beregninger. Men dette kræver et velovervejet system med omhyggeligt designede hardware og software til at håndtere fejl effektivt.

Microsoft og Quantinuum’s fejlreduktionsgennembrud

I et nyligt samarbejde adresserede Microsoft og Quantinuum 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. Central for denne præstation er Microsoft’s qubit-virtualiseringssystem, der konverterer fysiske qubits til logiske qubits og udfører fejlkorrektion. Gennem dette virtualiseringssystem kunne de producere fire stabile logiske qubits fra kun 30 af Quantinuum’s 32 fysiske qubits, hvilket viste en ekstremt lav fejlrate på 0,00001, hvilket indikerer en fejl per 100.000 operationer.

At forstå impacten 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 et højkvalitets støjreducerende hovedtelefon. Tænk på baggrundsstøjen på et fly som støjen fra fysiske qubits. Ligesom hovedtelefonen reducerer støjen for bedre musiklytning, hjælper qubit-virtualiseringssystemet med at reducere fejl forårsaget af fysiske qubits under kvantecomputing-opgaver.

Impacten 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 kvantalgoritmer. Denne udvikling kunne opmuntre til innovation inden for områder som materialevidenskab og kryptografi og forbedre adgangen til kvantecomputing-teknologier. Da platformen fortsætter med at modnes og bliver mere tilgængelig, kan den muligvis udvide adgangen til kvantecomputing, så flere videnskabsmænd og institutioner kan deltage i avanceret forskning.

Bottom Line

Microsofts jagt på fejltilstandsfrit kvantecomputing gennem Azure Quantum markerer et transformerende spring i beregningsmuligheder. Mens fokus har været på fejlreduktion, afslører integrationen af Quantinuum’s kvantehardware med Microsoft’s qubit-virtualiseringssystemer et område af muligheder ud over blot fejlreduktion. Denne fremgang ikke kun forbedrer fejlhåndtering, men etablerer en robust grund for at udforske komplekse kvantalgoritmer. Ved at brokke gapet mellem hardware og virtualisering giver Microsoft forskerne mulighed for at udforske nye grænser på tværs af videnskabelige domæner som materialevidenskab og kryptografi.