Caltechs ‘Ocelot’ bliver den seneste fejlreducerende fremskridt inden for kvantecomputing

Sidste år, McKinsey & Company offentliggjorde en omfattende rapport der skitserer den fremtidige bane for kvantecomputing. Rapporten blev ambitiøst kaldt ‘The Rise of Quantum Computing.’ Dog var ambitionerne ikke ubegrundede.

McKinsey sagde, at rejsen mod kvantecomputing blev drevet af den accelererede hastighed af teknologiske gennembrud, øget strøm af investeringer og en udbredelse af start-up-økosystemet.

Alle disse faktorer var ansvarlige for at få erhvervsledere til at planlægge robuste kvantecomputing-strategier. Den opdaterede McKinsey-analyse for den tredje årlige Quantum Technology Monitor afslører, at fire sektorer—kemikalier, livsvidenskab, finans og mobilitet—sandsynligvis vil se den tidligste påvirkning fra kvantecomputing og kunne opnå op til $2 billioner inden 2035.

For at kvantecomputing kan vokse som McKinsey forestiller, kræver det et blomstrende innovationsøkosystem. I et af de mest banebrydende gennembrud i denne henseende har forskere ved AWS Center for Quantum Computing på Caltechs campus¹ fundet en måde at undertrykke fejl i kvantecomputere—et problem, der kan blive den største hindring i opbygningen af fremtidssikrede kvantemaskiner. 

Hvad var ‘Problemet’?

At bygge en generel formåls‑kvantecomputer, der går ud over at studere nicheområder inden for fysik, forbliver en udfordring på grund af dens iboende følsomhed over for støj. Forskere har fundet ud af, at vibrationer, varme, elektromagnetisk interferens fra mobiltelefoner og Wi‑Fi‑netværk, og endda kosmiske stråler og stråling fra rummet kan slå qubits—kvantebits—ud af deres kvantetilstand og forårsage betydeligt flere fejl end klassiske computere.

For at uddybe med mere videnskabelig præcision arbejder forskningen, med titlen ‘Hardware‑Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits’, på at bygge kvantecomputere, der vil inkorporere kvantefejlkorrektion. Den ville have en logisk qubit redundantly kodet i mange støjende fysiske qubits.

Ocelot: Løsningen

I enklere ord demonstrerede teamet af forskere fra AWS og Caltech en ny kvantechip-arkitektur for at undertrykke fejl ved brug af en type af qubit kendt som en kat‑qubit.

Kat‑qubits er ikke nye, dog; de blev først foreslået i 2001. Siden da har forskere løbende udviklet og forfinet dem. Gennembruddet for teamet kom med skabelsen af den første skalerbare kat‑qubit-chip, designet til effektivt at reducere kvantefejl. Chippen blev navngivet Ocelot efter den plettede vilde kat, samtidig med at den refererer til den interne “oscillator”-teknologi, der ligger til grund for kat‑qubits.

Ifølge forskerne skal fejlraterne være en milliard gange bedre end de er i dag. Kun da kan kvantecomputere betegnes som succesfulde. Den nye opfindelse vil hjælpe os med at nå målet hurtigere:

Ifølge Oskar Painter (PhD’ 01) er John G Braun professor i anvendt fysik og fysik ved Caltech og leder af kvantehardware hos AWS:

“Fejlraterne er faldet med omkring en faktor to hvert andet år. I dette tempo vil det tage os 70 år at nå, hvor vi skal være. I stedet udvikler vi en ny chip-arkitektur, der måske kan bringe os dertil hurtigere. Det sagt, er dette en tidlig byggeblok. Vi har stadig meget arbejde at gøre.”

Forskerne, mens de fremhæver ulemperne ved de nuværende qubit-teknologier, siger, at de kan kræve tusindvis af ekstra qubits for at give det ønskede beskyttelsesniveau mod fejl, hvilket svarer til at aviseringsmedier ansætter et enormt bygning af faktatjekkere for at verificere nøjagtigheden af deres artikler i stedet for kun et lille team. Dette får processen til at smuldre på grund af omkostningsoverskuddet, som er overdreven og uhåndterlig.

Fernando Brandão, Bren Professor i Teoretisk Fysik ved Caltech og direktør for anvendt videnskab hos AWS, indrømmer dette problem. Han siger:

“Så vi prøver nye tilgange til fejlkorrektion, som vil reducere overheaden.”

Oscillation‑teknologien på fundamentet for Ocelot

Teamet anvender en type qubit dannet af superledende kredsløb lavet af mikrobølge‑oscillatorer, hvor 1‑ og 0‑tilstande—der repræsenterer qubiten—defineres som to distinkte store‑skala oscillationsamplituder. Denne tilgang har til formål at gøre qubit‑tilstandene stabile og immun mod bit‑flip‑fejl.

Når bit‑flip‑fejlene er håndteret, er den anden fejl, der stadig skal korrigeres, fase‑flip‑fejlen. For at opdage fasefejl anvender Ocelot‑chippen fire hjælpsomme qubits.

Teamets simple repetitionskode er effektiv til at fange fase‑flip‑fejl og forbedres, efterhånden som koden øges fra tre kat‑qubits til fem kat‑qubits.

Vejen frem for forskningen

Aktuelt er demonstrationen på et proof‑of‑concept‑stadium. Men forskerne involveret i processen, som Painter, er begejstrede for den præstation, Ocelot har vist. Han siger:

“Det er et meget svært problem at tackle, og vi vil være nødt til at fortsætte med at investere i grundforskning, mens vi forbliver forbundet til og lærer af vigtigt arbejde, der udføres i akademia.”

Som Painter antydede, har disse forbedringer brug for virksomhedspatrons. Det kræver investeringer for at skalere op. I de følgende afsnit diskuterer vi et par sådanne virksomheder, der udfører betydningsfuldt arbejde inden for kvantecomputing.

1. IBM (IBM )

IBM, den globalt anerkendte teknologigigant, forbliver forpligtet til at gøre kvantecomputing praktisk for verden. Det driver en dedikeret division, IBM Quantum, som tilbyder adgang til den største kvantecomputing-flåde i verden via Qiskit—en platform, der leverer softwareværktøjer og tjenester til at skabe en holistisk programmeringsmodel for nytte.

IBM’s QuantumSafe, for eksempel, sikrer en virksomhed for den kvantefremtid, ved at tilbyde deres 127‑qubit‑systemer gratis. Derudover giver platformen adgang til systemer, dokumentation og læringsressourcer samlet på ét sted.

Virksomheden er forpligtet til at gøre kvantecomputing ansvarlig. Missionserklæringen i denne henseende er at være “katalysatoren til at få verden til at fungere bedre,” og den driver en Responsible Quantum Initiative for at sikre, at vores udvikling er i overensstemmelse med den mission.

Ifølge IBM er Responsible Quantum Computing kvantecomputing, der er bevidst om sine virkninger. Virksomheden har udarbejdet fem Responsible Quantum Principles for udvikling og implementering af kvanteteknologi, som teamet følger internt. Disse principper er som følger:

• Skab en positiv samfundsmæssig påvirkning.
• Udforsk anvendelsestilfælde med fremsynethed.
• Promover IBM’s produkter nøjagtigt
• Træf konsistente, principbaserede beslutninger
• Opbyg et mangfoldigt og inklusivt kvantefællesskab

Med stabil fremgang langs IBM Quantum™ Roadmap opgraderer virksomheden sin kvanteplatform for at levere cloud‑tjenester i virksomhedskvalitet.

Mere specifikt opgraderer virksomheden med infrastruktur i virksomhedskvalitet. For at forblive problemfri for sine ældre brugere vil virksomheden sikre, at den endelige version af den nye IBM Quantum Platform vil være meget lig den version, vi bruger nu.

Virksomheden vil sikre, at brugerne fortsat har adgang til den dokumentation og de læringsressourcer, den traditionelt har haft. Opgraderingen vil dog øge værdien med forbedret ydeevne og kraftfulde funktioner.

Blandt specifikke funktioner vil opgraderingen indeholde forbedret dataprivatliv og sikkerhed, en strømlinet notifikationsoplevelse, bedre platformnavigation, flere sprogvalg for brugere, der taler andre sprog end engelsk, osv.

For øgede niveauer af offentlig tilgængelighed har IBM bygget et Quantum Network. Netværket understøtter virksomheder, universiteter, laboratorier og brancheledere på deres rejse mod at fremme kvante‑nytte. Medlemmer får adgang til læringsressourcer, eksperter og begivenheder for at accelerere forskning og fremme samarbejde.

For det seneste regnskabsår, IBM registrerede en omsætning på $62.8 billion, op 1 percent, op 3 percent i konstant valuta.

Mens han talte om resultaterne, sagde Arvind Krishna, IBM’s formand, præsident og administrerende direktør:

“For tre år siden lagde vi en vision for en hurtigere voksende, mere profitabel IBM. Jeg er stolt af det arbejde, IBM‑teamet har udført for at opfylde eller overgå vores forpligtelser. Med vores fokuserede strategi, udvidede portefølje og innovationskultur er vi godt positioneret for 2025 og fremover og forventer en omsætningsvækst på mindst fem procent og en fri pengestrøm på omkring $13.5 billion i år.”

2. Microsoft (MSFT )

En anden førende teknologigigant, der udfører banebrydende arbejde inden for kvantecomputing, er Microsoft. Dens vision er at accelerere videnskabelig opdagelse gennem brancheførende avanceret teknologi, der vil fremskynde videnskabelig opdagelse.

Microsoft har de følgende fire kvante‑løsninger:

• Microsoft Quantum Compute Platform: En platform, der muliggør en ny generation af kvanteapplikationer.
• Azure Quantum Elements: Det er en formålsbygget løsning til at accelerere videnskabelig opdagelse.
• Quantum Hardware: Løsning rettet mod at låse en skaleret kvante‑supercomputer op.
• Quantum Networking: En løsning, der muliggør distribueret kvantecomputing med et kvantenetværk

Hvis vi ser på disse løsninger fra brugernes perspektiv, giver forskellige løsninger forskellige tjenester. For eksempel, gennem Microsoft Quantum Compute‑platformen, er det muligt at få adgang til topmoderne kvantehardware, pålidelige logiske qubits, avancerede AI‑modeller og HPC‑simulationer for at accelerere videnskabelige opdagelser.

Azure Quantum Elements‑løsningen hjælper med at accelerere videnskabelig opdagelse inden for kemi og materialvidenskab gennem High‑Performance Computing, kunstig intelligens og en fremtidig kvantecomputer.

Gennem Microsoft Quantum Hardware konstruerer virksomheden en kvante‑supercomputer, der vil gøre det muligt for verden at tackle problemer som at vende klimaforandringer og forbedre fødevaresikkerhed.

Endelig, gennem Microsoft Quantum Networking, sigter virksomheden mod at levere kvante‑netværkskapaciteter for at skalere kvante‑klynger og muliggøre nye sikkerhedsrelaterede applikationer.

Hvis vi dykker dybere ned i Microsoft Quantum Hardware, vil vi indse, at det virkelig er et gennembrud. Det er et gennembrud, fordi det baner vejen for måling‑kun‑kvantecomputing—en fundamentalt enklere måde at kontrollere kvanteinformation på.

Drevet af en topologisk kerne er Microsofts processor designet til at skalere til en million qubits—tilstrækkelig regnekraft til at tackle menneskehedens sværeste udfordringer inden for energi, medicin og mere.

I denne henseende kan man se på Microsofts papir, offentliggjort i Nature, med titlen ‘Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices.’

Samlet set hviler Microsoft Quantum Hardware på følgende grundlæggende søjler:

• Scalability: Løsningen er designet til at muliggøre brugbar kvantecomputing
• Stability: Den er modstandsdygtig over for fejl på hardware‑niveau.
• Small: Hardwaren er i stand til at rumme mere end en million qubits på én enkelt chip.
• Fast: Den tager mindre end 1 microsecond per operation.
• Controllable: Dens spændingspulser giver præcis digital kontrol.

Hvis vi ser på nøglefunktionerne i Azure Quantum Elements, udnytter dens generative kemi kraften i generativ AI til at forenkle opdagelsen og designet af nye molekyler med ønskede egenskaber. Den accelererede DFT‑funktion bestemmer egenskaberne af molekyler med tusinder af atomer på timer, hvilket giver en væsentlig hastighedsforøgelse i forhold til andre DFT‑koder.

Desuden hjælper det åbne økosystem med at bruge velkendte softwareløsninger, optimeret til Azure Quantum Elements.

Microsofts Azure Quantum Elements har hjulpet flere forskningsinstitutioner og virksomheder med at levere løsninger for fremtiden. For eksempel har Unilever udnyttet kraften i Microsofts supercomputing og AI‑tjenester til at støtte deres R&D‑transformation og produktinnovation.

Microsoft og Pacific Northwest National Laboratory gik sammen for at identificere et nyt materiale med potentiale for bedre batterier. Virksomheden har samarbejdet med AspenTech om at designe en kvantekemi‑workflow. Den har indgået partnerskab med Johnson Matthey for at fremskynde innovation inden for brintbrændselsceller med Azure Quantum.

Microsoft og 1910 Genetics gik i partnerskab for at turbobooste R&D‑produktiviteten for farmaceutisk industri, mens de samarbejdede med InQuanto for at accelerere kvante‑beregningskemi. Samlet set har Microsoft spillet en central rolle i at demonstrere, hvordan kvantecomputing kan blive effektivt nyttig for en robust og effektiv fremtid.

I 2024, året der markerede Microsofts 50‑års jubilæum som virksomhed. Virksomheden leverede over $245 billion i årlig omsætning, op 16 percent year‑over‑year, og over $109 billion i driftsresultat, op 24 percent. Virksomheden sagde udtrykkeligt, at den fokuserer på at inkubere tekniske produkter og supportløsninger med transformerende potentiale for fremtiden inden for cloud‑computing og fortsat virksomhedsvækst, såsom kvantecomputing og avanceret AI til videnskab.

Mens store teknologivirksomheder gør deres bedste, holder institutionel forskning trit. Vi startede vores diskussion med et sådant banebrydende forskningsprojekt, og vi vil afslutte med et par flere.

Klik her for at lære om den aktuelle tilstand af kvantecomputing.

Mere om kvantecomputing‑forskning

Google Quantum AI og samarbejdspartnere offentliggjorde deres forskning i Nature i december 2024. Den kom med titlen Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

Forskningen adresserede problemet med kvantefejlkorrektion, en nøglevej til praktisk kvantecomputing. Ved at kombinere flere fysiske qubits til en logisk qubit, undertrykker denne tilgang den logiske fejlrate eksponentielt, efterhånden som flere qubits tilføjes.

Som resultat præsenterede forskerne to under‑threshold surface‑code‑hukommelser på deres nyeste generation af superledende processorer, Willow, en distance‑7‑kode og en distance‑5‑kode integreret med en real‑time decoder.

Resultaterne var betydningsfulde. Systemet opretholdt under‑threshold ydeevne ved real‑time dekodning, og opnåede en gennemsnitlig decoder‑latens på 63 microseconds ved afstande fra fem op til en million cyklusser, med en cyklustid på 1.1 microseconds. Forskerne hævdede, at deres forskning indikerer, at hvis skaleret, kunne enhedens ydeevne realisere de operationelle krav til store skala fejl‑tolerante kvantealgoritmer.

I 2022, med fokus på fejlkorrektion, udforskede IBM‑forskerne en kode kaldet gross code, en ny slags kode, der kan lagre kvanteinformation på en fejlfri måde med en brøkdel af hardware‑overheadet. Dette kunne føre til fejlkorrektion med betydeligt mindre overhead.

I et papir offentliggjort i Nature søgte IBM specifikt efter fejl‑tolerant kvantehukommelse med lav qubit‑overhead, høj fejl‑threshold og stor kode‑afstand. Virksomheden hævdede, at deres matematiske analyse fandt konkrete eksempler på qLDPC‑koder, der opfyldte alle betingelserne for at være fejl‑tolerante, have en kvantehukommelse, og have en høj fejl‑threshold, stor kode‑afstand og lav qubit‑overhead.

Virksomheden hævdede, at dens kode faldt ind i en familie af koder kaldet “Bivariate Bicycle (BB)”‑koder. De vil forme ikke kun IBMs fremtidige forskning, men også hvordan vi arkitekturerer fysiske kvantesystemer.

Alt i alt er der rigelig plads til at realisere stabil fremgang i retning af kvantefordelen. Globale offentlige investeringer i kvanteteknologi nåede $42 billion i 2023, med Kina i spidsen med en annonceret regeringsinvestering på $15.3 billion.

Dette blev efterfulgt af Tyskland, Storbritannien, USA og Sydkorea, blandt andre. Det faktum, at teknologisk avancerede økonomier investerer mere i kvantecomputing og relateret teknologi, er et bevis på, at dens potentiale er enormt. Det, vi ser nu, kan kun være spidsen af isbjerget.

Klik her for en liste over de fem bedste kvantecomputing‑virksomheder.