Microsofts språng mot fel toleranta kvantberäkningar med Azure Quantum

Kvantberäkning, med dess löfte att lösa komplexa problem som klassiska datorer kämpar med, har varit ett ämne för intensiv forskning och utveckling. Microsoft (MSFT ), en nyckelspelare inom kvantberäkningsfältet, gör betydande framsteg mot att uppnå fel toleranta kvantberäkningar i stor skala genom sin Azure Quantum-plattform. Den här artikeln tar en närmare titt på dessa utvecklingar, förklarar deras betydelse och överväger hur de kan forma framtiden för beräkningar.

Kvant i stor skala: En nödvändighet

I jakten på att använda kvantberäkning för att lösa några av de största utmaningarna som klimatförändringar och medicinska genombrott, experter uppskattar att vi skulle behöva kvantdatorer som drivs av minst en miljon qubit. En qubit, förkortning för kvantbit, är den grundläggande informationsenheten i kvantberäkning. Till skillnad från klassiska bitar som bara kan existera i en av två tillstånd, 0 eller 1, vid en given tidpunkt, kan qubit existera i en superposition av tillstånd. Detta innebär att en qubit kan vara i ett tillstånd som representerar både 0 och 1 samtidigt. Dessutom kan qubit bli sammanflätade med varandra, där tillståndet för en qubit beror på tillståndet för en annan qubit. Detta möjliggör att qubit kan koda komplex information och parallella bearbetningsförmågor som överträffar klassisk beräkning. Men qubit måste vara både stabila och kontrollerbara för att utföra dessa komplexa beräkningar effektivt.

Att uppnå denna skala – att utveckla en kvantdator med en miljon qubit – är en enorm utmaning. För närvarande kräver hantering av även ett fåtal qubit avancerad teknik och exakt kontroll. Att skala upp till en miljon qubit förstorar dessa utmaningar i termer av att upprätthålla qubit-stabilitet och säkerställa fel-fria operationer över en så stor skala.

Utmaningen med qubits känslighet

En av de viktigaste utmaningarna inom kvantberäkning är qubits känslighet för fel. Även små förändringar i miljön kan leda till fel som påverkar tillförlitligheten för kvantdatorer för praktiska användningsområden. Dessutom kan små fel ha en stor inverkan på processerna i kvantberäkning. Till exempel, även om en trohet på 99,9% verkar rimlig, vilket innebär att fel inträffar bara en gång per 1 000 operationer, är det ganska högt för kvantberäkning där operationer körs i miljontals qubit för att lösa komplexa problem. Detta kan leda till många fel som ackumuleras, vilket gör resultaten mindre tillförlitliga.

För att kvantdatorer ska fungera effektivt och tillförlitligt måste de utföra dessa operationer med extrem noggrannhet under långa perioder. Detta krav blir mer betydande när systemet expanderar för att hantera komplexa beräkningar mer effektivt.

Felkorrigering med logiska qubit

Att förbättra robustheten mot fel är avgörande för att förbättra tillförlitligheten och skalbarheten för kvantberäkning. Forskare utvecklar aktivt felupptäckt och korrigeringstrategier på både fysiska och logiska nivåer av qubit. Medan enbart att öka fysiska qubits trohet kan inte fullständigt lösa problemet, erbjuder användningen av logiska qubit en lovande väg framåt.

Logiska qubit fungerar som upprepningsskoder i klassisk beräkning, där informationen dupliceras över flera bitar för att skydda mot fel. Men på grund av no-cloning theorem i fysik, är direkt replikering av qubit inte möjlig. Istället sprider kvantfelkorrigering tillståndet för en logisk qubit över flera fysiska qubit. Denna redundans möjliggör upptäckt och korrigering av fel i enskilda fysiska qubit, vilket upprätthåller integriteten för kvantinformationen och minskar felhastigheten avsevärt. Genom att bilda en enda logisk qubit från flera fysiska qubit introduceras fel tolerans. Även om vissa fysiska qubit felar, förblir tillståndet för den logiska qubiten intakt, bestämt av de oförändrade fysiska qubit. Detta förbättrar avsevärt stabiliteten och tillförlitligheten för kvantdatorer, vilket möjliggör hantering av mer komplexa och långvariga beräkningar. Men det kräver ett välgenomtänkt system med noggrant utformad maskinvara och programvara för att hantera fel effektivt.

Microsoft och Quantinuums genombrott i felreduktion

I ett nyligt samarbete lyckades Microsoft och Quantinuum med att hantera den långvariga utmaningen med qubits sårbarhet för fel. De uppnådde detta genom att integrera Quantinuums maskinvarusystem med Microsofts qubit-virtualisering eller logisk qubit-system, vilket resulterade i ett integrerat och robust system som uppnådde en imponerande 800-faldig förbättring av felhantering. Denna integration möjliggjorde för forskare att utföra 14 000 oberoende instanser utan att stöta på några fel. Central för denna prestation är Microsofts qubit-virtualiseringssystem, som omvandlar fysiska qubit till logiska qubit och utför felkorrigering. Genom detta virtualiseringssystem kunde de producera fyra stabila logiska qubit från bara 30 av Quantinuums 32 fysiska qubit, vilket visade en extremt låg krets felhastighet på 0,00001, vilket indikerar ett fel per 100 000 operationer.

Att förstå påverkan av denna utveckling blir mer tydlig när vi tänker på att minska felhastigheten med 800 gånger, vilket är som att förbättra en signal med 29 dB, liknande upplevelsen av att använda ett högkvalitativt brusreducerande hörlurar. Tänk på bakgrundsbruset på ett flygplan som det omgivande bruset från fysiska qubit. Precis som hörlurarna tar bort brus för bättre musiklyssning, hjälper qubit-virtualiseringssystemet till att minska fel orsakade av fysiska qubit under kvantberäkningsuppgifter.

Påverkan bortom felreduktion

Samarbetet mellan Quantinuums maskinvara och Microsofts qubit-virtualiseringssystem sträcker sig bortom bara felreduktion. Genom att integrera dessa teknologier får forskare en stabil plattform för att utveckla och implementera komplexa kvantalgoritmer. Denna utveckling kunde uppmuntra innovation inom områden som materialvetenskap och kryptografi och förbättra tillgängligheten för kvantberäkningsteknologier. När plattformen fortsätter att mognar och blir mer tillgänglig, kan den möjligtvis bredda tillgången till kvantberäkning, vilket möjliggör att fler forskare och institutioner kan engagera sig i avancerad forskning.

Slutsatsen

Microsofts strävan efter fel toleranta kvantberäkningar genom Azure Quantum markerar ett transformerande språng i beräkningsförmåga. Medan fokus har legat på felreduktion, avslöjar integrationen av Quantinuums kvantmaskinvara och Microsofts qubit-virtualiseringssystem en värld av möjligheter bortom enbart felminskning. Denna utveckling förfinar inte bara felhantering; den etablerar en robust grund för att utforska invecklade kvantalgoritmer. Genom att överbrygga gapet mellan maskinvara och virtualisering, ger Microsoft forskare möjlighet att utforska nya gränser inom vetenskapliga områden som materialvetenskap och kryptografi.