Microsoft’s Leap Towards Fault-Tolerant Quantum Computing with Azure Quantum

Quantum computing, з його обіцянкою вирішення складних проблем, з якими борються класичні комп’ютери, є темою інтенсивних досліджень і розробок. Microsoft, ключовий гравець у сфері квантових обчислень, робить суттєві кроки до досягнення відмовостійких квантових обчислень у великому масштабі через свою платформу Azure Quantum. Ця стаття ближче розглядає ці розробки, пояснюючи їхнє значення і розглядаючи, як вони можуть сформувати майбутнє обчислень.

Квантові обчислення у великому масштабі: необхідність

У пошуках використання квантових обчислень для вирішення деяких із найбільших проблем, таких як зміна клімату і медичні прориви, експерти оцінюють, що нам знадобляться квантові комп’ютери, що працюють至少 на одному мільйоні кубітів. Кубіт, скорочення від квантовий біт, є фундаментальною одиницею інформації у квантових обчисленнях. На відміну від класичних бітів, які можуть існувати лише в одному з двох станів, 0 або 1, у будь-який момент часу, кубіти можуть існувати у суперпозиції станів. Це означає, що кубіт може бути у стані, що представляє як 0, так і 1 одночасно. Крім того, кубіти можуть бути заплутані один з одним, де стан одного кубіту залежить від стану іншого кубіту. Це дозволяє кубітам кодувати складну інформацію і паралельні можливості обробки, що перевершують класичні обчислення. Однак кубіти повинні бути як стабільними, так і контрольованими, щоб виконувати ці складні розрахунки ефективно.

Досягнення цього масштабу – розробка квантового комп’ютера з мільйоном кубітів – є величезним викликом. Наразі управління навіть кількома кубітами вимагає складної технології і точного контролю. Масштабування до мільйона кубітів множить ці виклики щодо підтримання стабільності кубітів і забезпечення безпомилкових операцій у такому великому масштабі.

Виклик чутливості кубітів

Одним із ключових викликів у квантових обчисленнях є чутливість кубітів до помилок. Навіть незначні зміни довкілля можуть призвести до помилок, які суттєво впливають на надійність квантових комп’ютерів для практичного використання. Крім того, навіть дрібні помилки можуть мати великий вплив на процеси у квантових обчисленнях. Наприклад, хоча рівень вірогідності 99,9% здається прийнятним, тобто помилки відбуваються лише один раз на кожні 1 000 операцій, це досить високо для квантових обчислень, де операції здійснюються на мільйонах кубітів для вирішення складних проблем. Це може призвести до багатьох помилок, які накопичуються, роблячи результати менш надійними.

Для того, щоб квантові комп’ютери працювали ефективно і надійно, їм потрібно виконувати ці операції з екстремальною точністю протягом тривалого часу. Це вимога стає ще більш складною, оскільки система розширюється для управління більш складними розрахунками більш ефективно.

Виправлення помилок за допомогою логічних кубітів

Покращення стійкості до помилок є критичним для поліпшення надійності і масштабованості квантових обчислень. Дослідники активно розробляють стратегії виявлення і виправлення помилок на рівні фізичних і логічних кубітів. Хоча просте підвищення вірогідності фізичних кубітів може не повністю вирішити проблему, використання логічних кубітів пропонує перспективний шлях вперед.

Логічні кубіти функціонують як код повторення у класичних обчисленнях, де інформація дублюється через кілька біт для захисту від помилок. Однак через теорему про неможливість клонування у фізиці, пряме копіювання кубітів неможливе. Замість цього квантове виправлення помилок розподіляє стан логічного кубіту по декількох фізичних кубітах. Ця надмірність дозволяє виявляти і виправляти помилки в окремих фізичних кубітах, зберігаючи цілість квантової інформації і суттєво знижуючи рівень помилок. Формуючи один логічний кубіт з декількох фізичних, цей метод вводить стійкість до помилок. Навіть якщо деякі фізичні кубіти помиляються, стан логічного кубіту залишається цілісним, визначається незміненими фізичними кубітами. Це суттєво підвищує стабільність і надійність квантових комп’ютерів, дозволяючи їм обробляти більш складні і тривалі розрахунки. Однак це вимагає добре продуманої системи з ретельно розробленим апаратним і програмним забезпеченням для ефективного управління помилками.

Прорив Microsoft і Quantinuum у зниженні помилок

У недавній співпраці Microsoft і Quantinuum успішно вирішили давній виклик чутливості кубітів до помилок. Вони досягли цього, інтегрувавши апаратну систему Quantinuum з системою віртуалізації кубітів Microsoft, що призвело до інтегрованої і надійної системи, яка досягла вражаючого 800-разового покращення у обробці помилок. Ця інтеграція дозволила дослідникам виконувати 14 000 незалежних інстансів без зустрічі з помилками. Центральним у цьому досягненні є система віртуалізації кубітів Microsoft, яка перетворює фізичні кубіти у логічні кубіти і виконує виправлення помилок. Через цю систему віртуалізації вони змогли створити чотири стабільні логічні кубіти з лише 30 з 32 фізичних кубітів Quantinuum, демонструючи надзвичайно низький рівень помилок у ланцюзі 0,00001, що вказує на одну помилку на 100 000 операцій.

Поняття про вплив цього розвитку стає більш очевидним, коли ми думаємо про зниження рівня помилок у 800 разів, що подібно до покращення сигналу на 29 дБ, подібно до досвіду використання високоякісного шумопонижуючого гарнітуру. Подумайте про фоновий шум на літаку як фоновий шум від фізичних кубітів. Як і гарнітур допомагає знижувати шум для кращого прослуховування музики, система віртуалізації кубітів допомагає знижувати помилки, спричинені фізичними кубітами під час завдань квантових обчислень.

Вплив за межами зниження помилок

Співпраця між апаратним забезпеченням Quantinuum і системою віртуалізації кубітів Microsoft розширюється за межі простого зниження помилок. Інтегруючи ці технології, дослідники отримують стабільну платформу для розробки і реалізації складних квантових алгоритмів. Це розвиток міг би заохотити інновації у таких галузях, як матеріальна наука і криптографія, і поліпшити доступність технологій квантових обчислень. Коли платформа продовжує дозрівати і стає більш доступною, вона могла б розширити доступ до квантових обчислень, дозволяючи більшій кількості вчених і установ займатися просунутими дослідженнями.

Основний висновок

Погоня Microsoft за відмовостійкими квантовими обчисленнями через Azure Quantum означає трансформаційний стрибок у обчислювальних можливостях. Хоча увага була зосереджена на зниженні помилок, інтеграція апаратного забезпечення Quantinuum з системою віртуалізації кубітів Microsoft відкриває область можливостей за межами простого зниження помилок. Це досягнення не тільки поліпшує обробку помилок, а й створює надійну основу для дослідження складних квантових алгоритмів. З’єднуючи розрив між апаратним забезпеченням і віртуалізацією, Microsoft надає дослідникам можливість досліджувати нові фронтири по всім науковим областям, таким як матеріальна наука і криптографія.