Microsofts sprang mot feiltilgjengelig kvantecomputing med Azure Quantum

Kvantecomputing, med sin løfte om å løse komplekse problemer som klassiske datamaskiner sliter med, har vært et tema for intens forskning og utvikling. Microsoft, en nøkkelaktør i kvantecomputingfeltet, gjør betydelige fremskritt mot å oppnå feiltilgjengelig kvantecomputing i stor skala gjennom sin Azure Quantum-plattform. Denne artikkelen tar en nærmere titt på disse utviklingene, forklarer deres betydning og vurderer hvordan de kan forme fremtiden for datamaskiner.

Kvantepå skala: En nødvendighet

I jakten på å bruke kvantecomputing til å løse noen av de største utfordringene som klimaendringer og medisinske gjennombrudd, ekspertene estimerer at vi ville trenge kvantecomputere drevet av minst en million qubits. En qubit, kort for kvantebit, er den grunnleggende enheten for informasjon i kvantecomputing. I motsetning til klassiske biter som bare kan eksistere i en av to tilstander, 0 eller 1, på et gitt tidspunkt, kan qubits eksistere i en superposisjon av tilstander. Dette betyr at en qubit kan være i en tilstand som representerer både 0 og 1 samtidig. I tillegg kan qubits være sammenflettet med hverandre, hvor tilstanden til en qubit avhenger av tilstanden til en annen qubit. Dette muliggjør at qubits kan kode kompleks informasjon og parallellprosesseringskapasiteter som overgår klassisk datamaskining. Imidlertid trenger qubits å være både stabile og kontrollerbare for å utføre disse komplekse beregningene effektivt.

Å oppnå denne skalaen – å utvikle en kvantecomputer med en million qubits – er en enorm utfordring. For øyeblikket krever håndtering av bare noen qubits sofistikert teknologi og presis kontroll. Å skala opp til en million qubits multipliserer disse utfordringene i forhold til å opprettholde qubit-stabilitet og sikre feilfrie operasjoner over en så stor skala.

Ufordringen med qubits’ sensitivitet

En av hovedutfordringene i kvantecomputing er qubits’ sensitivitet for feil. Selv mindre miljøendringer kan føre til feil som betydelig påvirker påliteligheten av kvantecomputere for praktisk bruk. I tillegg kan selv små feil ha en stor innvirkning på prosessene i kvantecomputing. For eksempel, selv om en trofasthetsrate på 99,9% ser rimelig ut, betyr det at feil skjer bare en gang per 1 000 operasjoner, er det ganske høyt for kvantecomputing hvor operasjoner går ut på millioner av qubits for å løse komplekse problemer. Dette kan føre til mange feil som akkumulerer, og gjør resultater mindre pålitelige.

For kvantecomputere å fungere effektivt og pålitelig, må de utføre disse operasjonene med ekstrem nøyaktighet over lange perioder. Dette kravet blir mer formidabelt når systemet utvides for å håndtere komplekse beregninger mer effektivt.

Feilkorreksjon ved hjelp av logiske qubits

Forbedring av robustheten mot feil er kritisk for å forbedre påliteligheten og skalerbarheten av kvantecomputing. Forskere utvikler aktivt feilkorreksjonsstrategier på både fysisk og logisk nivå av qubits. Mens å bare forbedre trofastheten av fysisk qubits kanske ikke fullstendig løse problemet, tilbyr bruken av logiske qubits en løftende vei fremover.

Logiske qubits fungerer som repetisjonskoder i klassisk datamaskining, hvor informasjon dupliseres over flere biter for å beskytte mot feil. Imidlertid, på grunn av no-cloning-teoremet i fysikk, er direkte replikasjon av qubits ikke mulig. I stedet spreder kvantefeilkorreksjon tilstanden til en logisk qubit over flere fysisk qubits. Denne redundansen muliggjør detektering og korreksjon av feil i enkeltfysisk qubits, og opprettholder integriteten av kvantinformasjonen og reduserer feilraten betydelig. Ved å danne en enkelt logisk qubit fra flere fysisk qubits, introduserer denne metoden feiltilgjengelighet. Selv om noen fysisk qubits feiler, forblir tilstanden til den logiske qubit intakt, bestemt av de uforandrede fysisk qubits. Dette forbedrer stabiliteten og påliteligheten av kvantecomputere betydelig, og lar dem håndtere mer komplekse og lengre beregninger. Imidlertid krever dette en godt tenkt ut system med omhyggelig designet maskinvare og programvare for å håndtere feil effektivt.

Microsoft og Quantinuum’s feilreduksjons-gjennombrudd

I et nylig samarbeid lyktes Microsoft og Quantinuum å løse den langvarige utfordringen med qubits’ sårbarhet for feil. De oppnådde dette ved å integrere Quantinuum’s maskinvarusystem med Microsoft’s qubit-virtualisering eller logisk qubit-system, og resultatet var et integrert og robust system som oppnådde en imponerende 800-gangs forbedring av feilhåndtering. Denne integreringen tillot forskerne å utføre 14 000 uavhengige instanser uten å møte noen feil. Sentral til denne prestasjonen er Microsoft’s qubit-virtualiseringssystem, som konverterer fysisk qubits til logiske qubits og utfører feilkorreksjon. Gjennom dette virtualiseringssystemet var de i stand til å produsere fire stabile logiske qubits fra bare 30 av Quantinuum’s 32 fysisk qubits, og viste en ekstremt lav feilrate på 0,00001, som indikerer en feil per 100 000 operasjoner.

For å forstå betydningen av denne utviklingen blir det mer tydelig når vi tenker på å redusere feilraten med 800 ganger, som er likt med å forbedre signalen med 29 dB, lignende erfaringen med å bruke en høykvalitets støykanselleringshodefon. Tenk på bakgrunnsstøyen på et fly som støyen fra fysisk qubits. Like som hodetelefonen kansellerer støy for bedre musikklytting, hjelper qubit-virtualiseringssystemet med å redusere feil forårsaket av fysisk qubits under kvantecomputing-oppgaver.

Påvirkningen utover feilreduksjon

Samarbeidet mellom Quantinuum’s maskinvarusystem og Microsoft’s qubit-virtualiseringssystem går utover bare feilreduksjon. Ved å integrere disse teknologiene, får forskerne en stabil plattform for å utvikle og implementere komplekse kvantecalgoritmer. Denne utviklingen kunne oppmuntre til innovasjon i områder som materialvitenskap og kryptografi, og forbedre tilgjengeligheten av kvantecomputing-teknologier. Etterhvert som plattformen fortsetter å modnes og blir mer tilgjengelig, kan den muligens utvide tilgjengeligheten av kvantecomputing, og ermögå flere forskere og institusjoner å engasjere seg i avansert forskning.

Bunnpunktet

Microsofts forsøk på feiltilgjengelig kvantecomputing gjennom Azure Quantum markerer et transformatorisk sprang i beregningskapasiteter. Mens fokus har vært på feilreduksjon, avdekket integreringen av Quantinuum’s kvantehardwar og Microsoft’s qubit-virtualiseringssystemer et område av muligheter utover bare feilreduksjon. Denne fremgangen ikke bare forbedrer feilhåndtering, men etablerer en robust grunnlag for å utforske intrikate kvantecalgoritmer. Ved å lukke gapet mellom maskinvar og virtualisering, gir Microsoft forskerne mulighet til å utforske nye grenser over vitenskapelige domener som materialvitenskap og kryptografi.