Skok Microsoftu w kierunku quantum computing z tolerancją błędów z Azure Quantum

Komputery kwantowe, z ich obietnicą rozwiązywania złożonych problemów, z którymi klasyczne komputery mają trudności, były tematem intensywnych badań i rozwoju. Microsoft, kluczowy gracz w dziedzinie komputerów kwantowych, robi znaczące postępy w kierunku osiągnięcia quantum computing z tolerancją błędów w dużym stopniu za pośrednictwem swojej platformy Azure Quantum. Artykuł ten przygląda się tym rozwojom, wyjaśniając ich znaczenie i rozważając, jak mogą one kształtować przyszłość komputingu.

Kwantowa skala: konieczność

W poszukiwaniu wykorzystania komputerów kwantowych do rozwiązywania niektórych z największych wyzwań, takich jak zmiany klimatyczne i przełomy medyczne, eksperci szacują, że potrzebowalibyśmy komputerów kwantowych zasilanych przez co najmniej jeden milion qubitów. Qubit, skrót od quantum bit, 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 splątane ze sobą, gdzie stan jednego qubitu zależy od stanu innego qubitu. To umożliwia qubitom kodowanie złożonej informacji i równoległej przetwarzania, które przewyższają klasyczne komputery. 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 zakresie utrzymania stabilności qubitów i zapewnienia błędnych 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 obejmują miliony qubitów do rozwiązywania złożonych problemów. Może to prowadzić do wielu błędów, które nakładają się, czyniąc wyniki mniej niezawodnymi.

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

Korekcja błędów przy użyciu qubitów logicznych

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. Chociaż proste zwiększanie wierności fizycznych qubitów może nie w pełni rozwiązać problem, użycie qubitów logicznych oferuje obiecującą ścieżkę do przodu.

Qubity logiczne działają jak kody powtarzania w klasycznych komputerach, gdzie informacje są duplikowane w wielu bitach, aby chronić przed błędami. Jednak ze względu na teorię nieklonowania w fizyce, bezpośrednia replikacja qubitów nie jest możliwa. Zamiast tego, korekcja błędów kwantowych rozprzestrzenia stan qubitu logicznego na kilka qubitów fizycznych. Ta redundancja umożliwia wykrywanie i korekcję błędów w poszczególnych qubitach fizycznych, utrzymując integralność informacji kwantowej i znacznie redukując współczynnik błędów. Tworząc pojedynczy qubit logiczny z wielu qubitów fizycznych, ta metoda wprowadza tolerancję błędów. Nawet jeśli niektóre qubity fizyczne popełniają błędy, stan qubitu logicznego pozostaje nienaruszony, określony przez niezmienione qubity fizyczne. To znacznie zwiększa stabilność i niezawodność komputerów kwantowych, umożliwiając im radzenie sobie z bardziej złożonymi i dłuższymi obliczeniami. Jednak wymaga to dobrze przemyślanego systemu z starannie zaprojektowanym sprzętem i oprogramowaniem do zarządzania 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, w wyniku czego powstał zintegrowany i wytrzymały system, który osiągnął imponujące 800-krotne zwiększenie obsługi błędów. Ta integracja pozwoliła naukowcom na wykonanie 14 000 niezależnych instancji bez napotkania błędów. Kluczowe dla tego osiągnięcia jest system wirtualizacji qubitów Microsoftu, który konwertuje qubity fizyczne w qubity logiczne i wykonuje korekcję błędów. Za pomocą tego systemu wirtualizacji, byli w stanie wytworzyć cztery stabilne qubity logiczne z zaledwie 30 z 32 qubitów fizycznych Quantinuum, prezentując ekstremalnie niski współczynnik błędów obwodu 0,00001, co oznacza 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, podobnie jak doświadczenie korzystania z wysokiej jakości słuchawek redukujących hałas. Wyobraź sobie tło hałasu na samolocie jako hałas z qubitów fizycznych. Tak jak słuchawki redukują hałas do lepszego słuchania muzyki, system wirtualizacji qubitów pomaga redukować błędy spowodowane przez qubity fizyczne 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 opracowania i wdrożenia złożonych algorytmów kwantowych. Ten rozwój może zachęcić do innowacji w dziedzinach takich jak nauka o materiałach i kryptografia, oraz poprawić dostępność technologii komputerów kwantowych. W miarę dojrzewania platformy i staje się bardziej dostępna, może ona poszerzyć dostęp do komputerów kwantowych, umożliwiając więcej naukowcom i instytucjom zaangażowanie się w zaawansowane badania.

Podsumowanie

Pogoń Microsoftu za quantum computing z tolerancją błędów za pośrednictwem Azure Quantum oznacza przełomowy skok w możliwościach obliczeniowych. Chociaż uwaga skupiła się na redukcji błędów, integracja sprzętu Quantinuum z systemem wirtualizacji qubitów Microsoftu ujawnia sferę możliwości poza samą redukcją błędów. Ten postęp nie tylko udoskonala obsługę błędów, ale również tworzy solidną podstawę do eksploracji złożonych algorytmów kwantowych. Łącząc lukę między sprzętem a wirtualizacją, Microsoft upoważnia naukowców do eksploracji nowych granic w dziedzinach nauki, takich jak nauka o materiałach i kryptografia.