Steve Brierley hevder at kvantedatamaskiner må implementere omfattende feilrettingsteknikker før de kan bli fullt nyttige for samfunnet
"Det er ingen overbevisende argumenter som indikerer at kommersielt levedyktige applikasjoner vil bli funnet som ikke bruk kvantefeilkorrigerende koder og feiltolerant kvanteberegning." Det sa Caltech-fysikeren John Preskill under en tale på slutten av 2023 på Q2B23-møtet i California. Ganske enkelt, alle som ønsker å bygge en praktisk kvantedatamaskin må finne en måte å håndtere feil på.
Kvantedatamaskiner blir stadig kraftigere, men deres grunnleggende byggesteiner – kvantebiter, eller qubits – er svært utsatt for feil, noe som begrenser deres utbredte bruk. Det er ikke nok å bare bygge kvantedatamaskiner med flere og bedre qubits. Å frigjøre det fulle potensialet til kvantedatabehandlingsapplikasjoner vil kreve ny maskinvare- og programvareverktøy som kan kontrollere iboende ustabile qubits og omfattende korrigere systemfeil 10 milliarder ganger eller mer per sekund.
Preskills ord kunngjorde i hovedsak begynnelsen av den såkalte Kvantefeilretting (QEC) æra. QEC er ikke en ny idé, og firmaer har i mange år utviklet teknologier for å beskytte informasjonen som er lagret i qubits mot feil og dekoherens forårsaket av støy. Det nye er imidlertid å gi opp ideen om at dagens støyende mellomskalaenheter (NISQ) kan utkonkurrere klassiske superdatamaskiner og kjøre applikasjoner som for øyeblikket er umulige.
Jada, NISQ – et begrep som ble laget av Preskill – var et viktig springbrett på reisen til feiltoleranse. Men kvanteindustrien, investorer og myndigheter må nå innse at feilretting er kvantedatabehandlingens avgjørende utfordring.
Et spørsmål om tid
QEC har allerede sett enestående fremgang bare det siste året. I 2023 Google demonstrerte at et 17-qubit-system kunne gjenopprette fra en enkelt feil og et 49-qubit-system fra to feil (Natur 614 676). Amazon ga ut en brikke som undertrykte feil 100 ganger, mens IBM-forskere oppdaget et nytt feilrettingsskjema som fungerer med 10 ganger færre qubits (arxiv: 2308.07915). På slutten av året produserte Harvard Universitys kvantespinn-out Quera det hittil største antallet av feilkorrigerte qubits .
Dekoding, som gjør mange upålitelige fysiske qubits til en eller flere pålitelige "logiske" qubits, er en kjerne-QEC-teknologi. Det er fordi kvantedatamaskiner i stor skala vil generere terabyte med data hvert sekund som må dekodes like raskt som de innhentes for å stoppe feil som forplanter seg og gjør beregninger ubrukelige. Hvis vi ikke dekoder raskt nok, vil vi bli møtt med en eksponentielt økende etterslep av data.
Storbritannias nasjonale kvantestrategi er en plan vi alle kan tro på
Mitt eget firma – Riverlane – ble introdusert i fjor verdens kraftigste kvantedekoder. Dekoderen vår løser dette etterslep-problemet, men det er det fortsatt mye mer arbeid å gjøre. Selskapet utvikler for tiden "streaming-dekodere" som kan behandle kontinuerlige strømmer av måleresultater etter hvert som de kommer, ikke etter at et eksperiment er ferdig. Når vi har truffet det målet, er det mer arbeid å gjøre. Og dekodere er bare ett aspekt ved QEC – vi trenger også høynøyaktighet og høyhastighets "kontrollsystemer" for å lese og skrive qubits.
Ettersom kvantedatamaskiner fortsetter å skalere, må disse dekoder- og kontrollsystemene samarbeide for å produsere feilfrie logiske qubits, og innen 2026 har Riverlane som mål å ha bygget en adaptiv, eller sanntids-dekoder. Dagens maskiner er bare i stand til noen få hundre feilfrie operasjoner, men fremtidig utvikling vil fungere med kvantedatamaskiner som er i stand til å behandle en million feilfrie kvanteoperasjoner (kjent som en MegaQuOp).
Riverlane er ikke alene om slike bestrebelser, og andre kvanteselskaper prioriterer nå QEC. IBM har ikke tidligere jobbet med QEC-teknologi, og fokuserer i stedet på flere og bedre qubits. Men firmaets 2033 kvanteveikart uttaler at IBM har som mål å bygge en 1000-qubit-maskin innen utgangen av tiåret som er i stand til nyttige beregninger – for eksempel simulering av katalysatormolekylers virkemåte.
Quera, i mellomtiden, nylig avduket sitt veikart som også prioriterer QEC, mens Storbritannias nasjonale kvantestrategi har som mål å bygge kvantedatamaskiner som er i stand til å kjøre en billion feilfrie operasjoner (TeraQuOps) innen 2035. Andre nasjoner har publisert lignende planer og et 2035-mål føles oppnåelig, delvis fordi kvantedatamaskinsamfunnet begynner å sikte på mindre, inkrementelle – men like ambisiøse – mål.
Setter scenen for en kvantemarkedsplass: hvor kvantevirksomheten er opp til og hvordan den kan utvikle seg
Det som virkelig begeistrer meg med Storbritannias nasjonale kvantestrategi er målet om å ha en MegaQuOp-maskin innen 2028. Igjen, dette er et realistisk mål – faktisk vil jeg til og med hevde at vi vil nå MegaQuOp-regimet tidligere, og det er derfor Riverlanes QEC-løsning, Deltaflow, vil være klar til å jobbe med disse MegaQuOp-maskinene innen 2026. Vi trenger ingen radikalt ny fysikk for å bygge en MegaQuOp kvantedatamaskin – og en slik maskin vil hjelpe oss bedre å forstå og profilere kvantefeil.
Når vi forstår disse feilene, kan vi begynne å fikse dem og fortsette mot TeraQuOp-maskiner. TeraQuOp er også et flytende mål – og et der forbedringer i både QEC og andre steder kan resultere i at 2035-målet ble levert noen år tidligere.
Det er bare et spørsmål om tid før kvantedatamaskiner er nyttige for samfunnet. Og nå som vi har et koordinert fokus på kvantefeilkorreksjon, vil vi nå det vippepunktet før heller enn senere.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://physicsworld.com/a/why-error-correction-is-quantum-computings-defining-challenge/
