Рывок Microsoft к отказоустойчивому квантовому вычислению с Azure Quantum

Квантовые вычисления, обещающие решить сложные проблемы, с которыми борются классические компьютеры, были предметом интенсивных исследований и разработок. Microsoft (MSFT ), ключевой игрок в области квантовых вычислений, делает значительные шаги к достижению отказоустойчивых квантовых вычислений в масштабе через свою платформу Azure Quantum. Эта статья более подробно рассматривает эти разработки, объясняя их значение и учитывая, как они могут сформировать будущее вычислений.

Квантовые вычисления в масштабе: Необходимость

В стремлении использовать квантовые вычисления для решения некоторых из самых больших проблем, таких как изменение климата и медицинские прорывы, эксперты оценивают, что нам понадобятся квантовые компьютеры, работающие на не менее чем одном миллионе кубитов. Кубит, сокращение от квантового бита, является фундаментальной единицей информации в квантовых вычислениях. В отличие от классических битов, которые могут существовать только в одном из двух состояний, 0 или 1, в любой момент времени, кубиты могут существовать в суперпозиции состояний. Это означает, что кубит может находиться в состоянии, представляющем одновременно 0 и 1. Кроме того, кубиты могут быть запутаны друг с другом, где состояние одного кубита зависит от состояния другого кубита. Это позволяет кубитам кодировать сложную информацию и параллельные вычислительные возможности, превосходящие классические вычисления. Однако кубиты должны быть стабильными и контролируемыми, чтобы выполнять эти сложные вычисления эффективно.

Достижение этого масштаба – разработка квантового компьютера с миллионом кубитов – является огромной задачей. В настоящее время управление даже несколькими кубитами требует сложной технологии и точного контроля. Масштабирование до миллиона кубитов умножает эти задачи в плане поддержания стабильности кубитов и обеспечения ошибок свободных операций на таком большом масштабе.

Проблема чувствительности кубитов

Одной из ключевых проблем в квантовых вычислениях является чувствительность кубитов к ошибкам. Даже незначительные изменения окружающей среды могут привести к ошибкам, существенно влияющим на надежность квантовых компьютеров для практического использования. Кроме того, даже небольшие ошибки могут иметь большое влияние на процессы в квантовых вычислениях. Например, хотя показатель достоверности 99,9% кажется разумным, означающий, что ошибки происходят только один раз в каждых 1 000 операциях, это довольно высоко для квантовых вычислений, где операции выполняются на миллионы кубитов для решения сложных проблем. Это может привести к множеству ошибок, которые накапливаются, делая результаты менее надежными.

Для того чтобы квантовые компьютеры работали эффективно и надежно, им необходимо выполнять эти операции с экстремальной точностью в течение длительного времени. Это требование становится более грозным, поскольку система расширяется для управления более сложными вычислениями более эффективно.

Исправление ошибок с помощью логических кубитов

Повышение устойчивости к ошибкам имеет решающее значение для улучшения надежности и масштабируемости квантовых вычислений. Исследователи активно разрабатывают стратегии обнаружения и исправления ошибок на уровне физических и логических кубитов. Хотя простое повышение достоверности физических кубитов может не полностью решить проблему, использование логических кубитов предлагает перспективный путь вперед.

Логические кубиты функционируют как повторяющиеся коды в классических вычислениях, где информация дублируется на нескольких битах для защиты от ошибок. Однако из-за теоремы о невозможности клонирования в физике, прямая репликация кубитов невозможна. Вместо этого квантовое исправление ошибок распространяет состояние логического кубита по нескольким физическим кубитам. Эта избыточность позволяет обнаруживать и исправлять ошибки в отдельных физических кубитах, сохраняя целостность квантовой информации и значительно снижая скорость ошибок. Создавая один логический кубит из нескольких физических, этот метод вводит отказоустойчивость. Даже если некоторые физические кубиты ошибаются, состояние логического кубита остается неизменным, определяемым неизменными физическими кубитами. Это существенно повышает стабильность и надежность квантовых компьютеров, позволяя им обрабатывать более сложные и длительные вычисления. Однако это требует хорошо продуманной системы с тщательно разработанным аппаратным и программным обеспечением для эффективного управления ошибками.

Прорыв Microsoft и Quantinuum в снижении ошибок

В недавнем сотрудничестве Microsoft и Quantinuum успешно решили давнюю проблему уязвимости кубитов к ошибкам. Они достигли этого, интегрировав аппаратную систему Quantinuum с системой виртуализации кубитов Microsoft или логических кубитов, в результате чего получилась интегрированная и устойчивая система, которая достигла впечатляющего 800-кратного улучшения в обработке ошибок. Эта интеграция позволила исследователям выполнить 14 000 независимых экземпляров без встречи с ошибками. Центральным достижением является система виртуализации кубитов Microsoft, которая преобразует физические кубиты в логические кубиты и выполняет исправление ошибок. Через эту систему виртуализации они смогли произвести четыре стабильных логических кубита из 30 из 32 физических кубитов Quantinuum, демонстрируя чрезвычайно низкую скорость ошибок цепи 0,00001, указывающую на одну ошибку на 100 000 операций.

Понимание влияния этого развития становится более очевидным, когда мы думаем о снижении скорости ошибок в 800 раз, что похоже на улучшение сигнала на 29 дБ, подобно опыту использования высококачественной наушников с шумоподавлением. Представьте себе фоновый шум на самолете как фоновой шум от физических кубитов. Как наушники отменяют шум для лучшего прослушивания музыки, система виртуализации кубитов помогает снижать ошибки, вызванные физическими кубитами во время задач квантовых вычислений.

Влияние за пределами снижения ошибок

Сотрудничество между аппаратным обеспечением Quantinuum и системой виртуализации кубитов Microsoft выходит за рамки простого снижения ошибок. Интегрируя эти технологии, исследователям предоставляется стабильная платформа для разработки и реализации сложных квантовых алгоритмов. Это развитие может поощрить инновации в таких областях, как материаловедение и криптография, и улучшить доступность технологий квантовых вычислений. По мере того, как платформа продолжает совершенствоваться и становится более доступной, она может расширить доступ к квантовым вычислениям, позволяя более широкому кругу ученых и учреждений заниматься передовыми исследованиями.

Итог

Погоня Microsoft за отказоустойчивыми квантовыми вычислениями через Azure Quantum знаменует собой трансформационный рывок в вычислительных возможностях. Хотя внимание было сосредоточено на снижении ошибок, интеграция аппаратного обеспечения Quantinuum с системой виртуализации кубитов Microsoft открывает область возможностей за пределами простого снижения ошибок. Это развитие не только совершенствует обработку ошибок, но и создает прочную основу для изучения сложных квантовых алгоритмов. Объединяя разрыв между аппаратным обеспечением и виртуализацией, Microsoft наделяет исследователей возможностью изучать новые горизонты в научных областях, таких как материаловедение и криптография.