Microsoft робить стрибок до відмовостійкого квантового обчислення з Azure Quantum

Квантове обчислення, з його обіцянкою розв’язання складних проблем, з якими борються класичні комп’ютери, було предметом інтенсивних досліджень і розробок. Microsoft, ключовий гравець у сфері квантового обчислення, робить значні кроки до досягнення відмовостійкого квантового обчислення у масштабі через свою платформу Azure Quantum. Ця стаття ближче розглядає ці розробки, пояснюючи їхнє значення і розглядаючи, як вони можуть сформувати майбутнє обчислення.

Квантове обчислення у масштабі: необхідність

У пошуках використання квантового обчислення для розв’язання деяких з найбільших проблем, таких як зміна клімату і медичні прориви, експерти оцінюють, що нам потрібно квантові комп’ютери, які працюють至少 на одному мільйоні кубітів. Кубіт, скорочення від квантового біта, є фундаментальною одиницею інформації у квантовому обчисленні. На відміну від класичних бітів, які можуть існувати лише у 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, який представляє і 0, 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 обчислювальні можливості, які перевершують класичне обчислення. Однак кубіти повинні бути як стабільними, так і керованими, щоб виконувати ці складні розрахунки ефективно.

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

Виклик чутливості кубіту

Одним з ключових викликів у квантовому обчисленні є чутливість кубітів до помилок. Навіть незначні зміни середовища можуть призвести до помилок, які суттєво впливають на надійність квантових комп’ютерів для практичного використання. Крім того, навіть маленькі помилки можуть мати великий вплив на процеси у квантовому обчисленні. Наприклад, хоча рівень вірогідності 99,9% здається прийнятним, тобто помилки відбуваються лише раз на 1000 операцій, це досить високо для квантового обчислення, де операції виконуються у мільйонах кубітів для розв’язання 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 складними розрахунками більш ефективно.

Виправлення помилок за допомогою логічних кубітів

Покращення стійкості проти помилок є критично важливим для поліпшення надійності і масштабованості квантового обчислення. Дослідники активно розробляють стратегії виявлення і виправлення помилок на фізичному і логічному рівнях кубітів. Хоча просте підвищення вірогідності фізичних кубітів може не повністю вирішити проблему, використання логічних кубітів пропонує перспективний шлях вперед.

Логічні кубіти працюють як повторювальні коди у класичному обчисленні, де інформація дублюється через кілька біт для захисту від помилок. Однак через теорему про неможливість клонування у фізиці, прямого дублювання кубітів неможливо. Замість цього квантове виправлення помилок поширює стан логічного кубіту через кілька фізичних кубітів. Ця надмірність дозволяє виявляти і виправляти помилки в окремих фізичних кубітах, підтримуючи цілісність квантової інформації і суттєво знижуючи рівень помилок. Формуючи один логічний кубіт з кількох фізичних, цей метод вводить відмовостійкість. Навіть якщо деякі фізичні кубіти помиляються, стан логічного кубіту залишається цілісним, визначається незмінними фізичними кубітами. Це суттєво підвищує стабільність і надійність квантових комп’ютерів, дозволяючи їм обробляти складніші і триваліші розрахунки. Однак це вимагає добре продуманої системи з ретельно розробленим апаратним і програмним забезпеченням для ефективного керування помилками.

Прорив Microsoft і Quantinuum у зниженні помилок

У недавньому співробітництві Microsoft і Quantinuum успішно вирішили давній виклик чутливості кубітів до помилок. Вони досягли цього, інтегруючи апаратну систему Quantinuum з системою віртуалізації кубітів Microsoft або логічного кубіту, 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 виникнення помилок. Центральним до цього досягнення 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 схемі 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 гарнітура. Подумайте про фоновий шум у літаку як фоновий шум від фізичних кубітів. Як і гарнітур допомагає зменшити шум для кращого прослуховування музики, система віртуалізації кубітів допомагає зменшити помилки, спричинені фізичними кубітами під час завдань квантового обчислення.

Вплив за межами зниження помилок

Співробітництво між апаратним забезпеченням Quantinuum і системою віртуалізації кубітів Microsoft розширюється за межі простого зниження помилок. Інтегруючи ці технології, дослідникам надається стабільна платформа для розробки і реалізації складних квантових алгоритмів. Це розвиток міг би заохотити інновації у таких областях, як матеріалознавство і криптографія, і покращити доступність технологій квантового обчислення. Коли платформа продовжує розвиватися і стає більш доступною, вона могла б розширити доступ до квантового обчислення, дозволяючи більшому числу вчених і установ займатися просунутими дослідженнями.

Резюме

Прагнення Microsoft до відмовостійкого квантового обчислення 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’єднавши розрив між апаратним забезпеченням і віртуалізацією, Microsoft надає дослідникам можливість досліджувати нові фронтири у наукових галузях, таких як матеріалознавство і криптографія.