Skok Microsoftu w kierunku quantum computing z błędami tolerowanymi z Azure Quantum

Komputery kwantowe, z ich obietnicą rozwiązywania złożonych problemów, które komputery klasyczne mają trudności z rozwiązywaniem, były tematem intensywnych badań i rozwoju. Microsoft (MSFT ), kluczowy gracz w dziedzinie komputerów kwantowych, robi znaczące postępy w kierunku osiągnięcia komputerów kwantowych z błędami tolerowanymi w skali przez swoją platformę Azure Quantum. Artykuł ten przygląda się tym rozwojom, wyjaśniając ich znaczenie i rozważając, jak mogą one ukształtować przyszłość komputingu.

Komputery kwantowe w skali: konieczność

W poszukiwaniu rozwiązań największych wyzwań, takich jak zmiana klimatu i przełomy medyczne, ekspertowie szacują, że potrzebowalibyśmy komputerów kwantowych zasilanych przez co najmniej jeden milion qubitów. Qubit, skrót od kwantowego bitu, jest podstawową jednostką informacji w komputerach kwantowych. W przeciwieństwie do klasycznych bitów, które mogą istnieć tylko w jednym z dwóch stanów, 0 lub 1, w danym momencie, qubity mogą istnieć w superpozycji stanów. Oznacza to, że qubit może być w stanie reprezentującym zarówno 0, jak i 1 jednocześnie. Ponadto qubity mogą być splecione ze sobą, gdzie stan jednego qubitu zależy od stanu innego qubitu. To umożliwia qubitom zakodowanie złożonej informacji i równoległej przetwarzania, które przewyższają komputery klasyczne. Jednak qubity muszą być stabilne i kontrolowane, aby wykonywać te złożone obliczenia skutecznie.

Osiągnięcie tej skali – rozwinięcie komputera kwantowego z milionem qubitów – jest ogromnym wyzwaniem. Obecnie zarządzanie nawet kilkoma qubitami wymaga zaawansowanej technologii i precyzyjnej kontroli. Zwiększanie skali do miliona qubitów pomnożone przez te wyzwania w kwestii utrzymania stabilności qubitów i zapewnienia błędów wolnych operacji na tak dużej skali.

Wyzwanie wrażliwości qubitów

Jednym z kluczowych wyzwań w komputerach kwantowych jest wrażliwość qubitów na błędy. Nawet niewielkie zmiany środowiskowe mogą prowadzić do błędów, które znacząco wpływają na niezawodność komputerów kwantowych do praktycznych zastosowań. Ponadto nawet niewielkie błędy mogą mieć duży wpływ na procesy w komputerach kwantowych. Na przykład, chociaż współczynnik wierności 99,9% wydaje się rozsądny, oznacza to, że błędy występują tylko raz na 1000 operacji, jest to dość wysoki dla komputerów kwantowych, gdzie operacje są wykonywane na milionach qubitów do rozwiązywania złożonych problemów. To może prowadzić do wielu błędów, które nakładają się, sprawiając, że wyniki są mniej niezawodne.

Aby komputery kwantowe działały skutecznie i niezawodnie, muszą wykonywać te operacje z ekstremalną precyzją przez długi czas. To wymaganie staje się bardziej groźne, gdy system rozwija się, aby zarządzać bardziej złożonymi obliczeniami.

Korekcja błędów przy użyciu logicznych qubitów

Poprawa odporności na błędy jest kluczowa dla poprawy niezawodności i skalowalności komputerów kwantowych. Naukowcy aktywnie rozwijają strategie wykrywania i korekcji błędów na poziomie fizycznym i logicznym qubitów. Podczas gdy proste zwiększanie wierności fizycznych qubitów może nie w pełni rozwiązać problem, użycie logicznych qubitów oferuje obiecującą drogę do przodu.

Logiczne qubity działają jak kody powtarzalne w komputerach klasycznych, gdzie informacja jest powielana na wielu bitach, aby chronić przed błędami. Jednak ze względu na teorię nieklonowania w fizyce, bezpośrednie powielenie qubitów nie jest możliwe. Zamiast tego, korekcja błędów kwantowych rozprzestrzenia stan logicznego qubitu na kilka fizycznych qubitów. Ta redundancja umożliwia wykrywanie i korekcję błędów w poszczególnych fizycznych qubitach, utrzymując integralność informacji kwantowej i znacznie zmniejszając współczynnik błędów. Tworząc jeden logiczny qubit z wielu fizycznych, ta metoda wprowadza tolerancję błędów. Nawet jeśli niektóre fizyczne qubity popełniają błędy, stan logicznego qubitu pozostaje nienaruszony, określony przez niezmienione fizyczne qubity. To znacznie zwiększa stabilność i niezawodność komputerów kwantowych, umożliwiając im wykonywanie bardziej złożonych i długich obliczeń. Jednak wymaga to dobrze przemyślanego systemu z starannie zaprojektowanym sprzętem i oprogramowaniem, aby skutecznie zarządzać błędami.

Przełom Microsoftu i Quantinuum w redukcji błędów

W niedawnym współpracy, Microsoft i Quantinuum pomyślnie rozwiązali długoletnie wyzwanie wrażliwości qubitów na błędy. Osiągnęli to, integrując system sprzętowy Quantinuum z systemem wirtualizacji qubitów Microsoftu lub logicznym systemem qubitów, w wyniku czego powstał zintegrowany i solidny system, który osiągnął imponujące 800-krotne polepszenie w obsłudze błędów. Ta integracja pozwoliła naukowcom na wykonanie 14 000 niezależnych instancji bez napotkania jakichkolwiek błędów. Centralnym elementem tego osiągnięcia jest system wirtualizacji qubitów Microsoftu, który konwertuje fizyczne qubity w logiczne qubity i wykonuje korekcję błędów. Przez ten system wirtualizacji, byli w stanie wyprodukować cztery stabilne logiczne qubity z zaledwie 30 z 32 fizycznych qubitów Quantinuum, prezentując ekstremalnie niski współczynnik błędów obwodu 0,00001, wskazując jeden błąd na 100 000 operacji.

Zrozumienie wpływu tego rozwoju staje się bardziej widoczne, gdy myślimy o redukcji współczynnika błędów o 800 razy, co jest podobne do poprawy sygnału o 29 dB, podobnego do doświadczenia korzystania z wysokiej jakości słuchawek redukujących hałas. Wyobraź sobie hałas tła na samolocie jako hałas otoczenia od fizycznych qubitów. Tak jak słuchawki redukują hałas do lepszego słuchania muzyki, system wirtualizacji qubitów pomaga redukować błędy spowodowane przez fizyczne qubity podczas zadań komputerów kwantowych.

Wpływ poza redukcją błędów

Współpraca między sprzętem Quantinuum a systemem wirtualizacji qubitów Microsoftu sięga poza samą redukcję błędów. Poprzez integrację tych technologii, naukowcy otrzymują stabilną platformę do rozwoju i wdrażania złożonych algorytmów kwantowych. Ten rozwój może zachęcić do innowacji w dziedzinach takich jak nauka o materiałach i kryptografia, oraz poprawić dostępność technologii komputerów kwantowych. Gdy platforma ta będzie się rozwijać i stawać się bardziej dostępną, może poszerzyć dostęp do komputerów kwantowych, umożliwiając więcej naukowcom i instytucjom zaangażowanie w zaawansowane badania.

Podsumowanie

Pogoń Microsoftu za komputerami kwantowymi z błędami tolerowanymi przez Azure Quantum oznacza przełomową zmianę w możliwościach obliczeniowych. Podczas gdy główny nacisk został położony na redukcję błędów, integracja sprzętu Quantinuum z systemem wirtualizacji qubitów Microsoftu ujawnia sferę możliwości poza samą redukcją błędów. Ten postęp nie tylko poprawia obsługę błędów, ale również tworzy solidną podstawę do eksploracji złożonych algorytmów kwantowych. Przez mostowanie przepaści między sprzętem a wirtualizacją, Microsoft umożliwia naukowcom eksplorowanie nowych granic w dziedzinach nauki, takich jak nauka o materiałach i kryptografia.