Kvantechip-milepæl vækker begejstring for fremtiden inden for beregning

Et nyt kvantecomputing-milepæl

Quantum computing er, sammen med AI, en ny horisont for teknologibranchen. Dette skyldes, at i modsætning til andre ikke-silicon-computing-teknologier, som grafen, fotonik eller endda biologiske organoider, udfører kvantecomputing beregninger på en radikalt ny måde.

Det gør den ved at udnytte kvanteeffekter, hvor beregningen ikke udføres med 0 og 1 (binære bits), men med qubits, hvor partikeldata enten er 0 OG 1 på én gang, eller 1, eller 0. Disse forskellige metoder betyder, at for nogle matematiske problemer kan kvantecomputere være absurd mere effektive end normale computere.

Og det er præcis, hvad Google lige har demonstreret: de har præsenteret en ny chip, der tager fem minutter at løse et problem, som i dag ville tage verdens hurtigste supercomputere ti septillion – eller 10.000.000.000.000.000.000.000.000 år – at fuldføre.

Udover denne bemærkelsesværdige ydeevne kan dette også være den første kvantecomputerchip, der har en rimelig chance for at være skalerbar og pålidelig til nyttige beregninger. Resultaterne blev offentliggjort i den førende videnskabelige publikation Nature under titlen “Kvantefejlkorrektion under overfladekode-tærsklen”.

Mød Willow

Den pågældende Google kvantecomputing-chip hedder Willow.

Kilde: Google

Dette er den sidste version af en serie af stadigt mere kraftfulde kvantechips udviklet af Google, kaldet Foxtail, Bristlecone og Sycamore.

Kilde: Google

For at teste Willows ydeevne blev random circuit sampling (RCS)‑benchmarket brugt til at sammenligne den med en normal supercomputer. Denne teknik blev skabt for at måle Sycamores præstationer, som evaluerer antallet af qubits, der kræves for at matche en tilsvarende mængde ved brug af en klassisk computer.

Kilde: Google

Skalerbarhed endelig inden for rækkevidde

En væsentlig begrænsning ved kvantecomputing indtil nu er, at qubits er ekstremt skrøbelige. Dette skyldes, at kvantetilstande har en meget kort levetid, og interferenser fra miljøet destabiliserer de betingelser, der kræves for kvanteberegning.

Derfor bruger alle nuværende kvantecomputere ultra-kolde forhold og kræver superledende materialer. Dette gør dem ikke kun mere komplekse og dyre, men også meget vanskelige at bruge pålideligt.

“For at få en kvantecomputer til at udføre nyttige beregninger, ‘har du brug for kvanteinformation, og du skal beskytte den mod miljøet — og mod os selv, når vi manipulerer med den.’” Julian Kelly – Fysiker hos Google, leder af kvantehardware‑divisionen

For at forværre problemet er det indtil nu sådan, at jo flere qubits der er i et system, jo højere er fejlen, da enhver ustabilitet forårsager en dominoeffekt. Så jo flere qubits, jo mere fejl, indtil punktet hvor tilføjelse af mere regnekraft faktisk reducerer den samlede ydeevne.

Og måske mere end på dens beregningskapacitet er dette, hvor Willow er et sandt gennembrud.

Du kan også direkte se mere om den præcise ydeevne af Willow i Googles dedikerede video‑præsentation:

Fejlkorrektion

Det grundlæggende skridt for Google har været at arbejde med såkaldt fejlkorrektion. Ideen er, at i en given kvantecomputer vil nogle qubits være mere pålidelige end andre.

Så kan de afvigende/under‑presterende qubits omkonfigureres, så de fungerer som resten af chippen.

Kilde: Google

Yderligere forbedring kan opnås ved at forbedre kalibreringsmetoden, så fejl minimeres gennem softwareforbedringer på alle qubits.

Kvantefejlkorrektions-tærskel

Denne tærskel er et meget længe eftertragtet mål for kvantecomputingsforskere. Her er fejlraten lav nok til, at jo flere qubits du tilføjer, jo mindre fejl får du. Dette blev længe teoretiseret, men blev først opnået med Willow.

Vi testede stadig større arrays af fysiske qubits, fra et gitter på 3×3 kodede qubits, til et gitter på 5×5, til et gitter på 7×7 — og hver gang, ved at bruge vores seneste fremskridt inden for kvantefejlkorrektion, lykkedes det os at halvere fejlraten.

Google Quantum Computing Department

Kilde: Google

I bund og grund, i stedet for at akkumulere indtil kollaps, er fejlene nu sjældne nok til, at de kan korrigeres med ekstra regnekraft, hvilket øger pålideligheden af hele systemet.

En nøglefaktor for Google til at opnå dette gennembrud var en radikal forbedring af en specifik qubit‑ydelse kaldet “qubit‑kohærens‑tid”. Dette er den tid, hvor qubiten kan opretholde sin kohærens‑tilstand, en forudsætning for at udføre kvanteberegning.

Willow opnåede en kohærens‑tilstand på 100 mikrosekunder, op fra kun 20 mikrosekunder for 2019‑Sycamore.

Dette er et vigtigt datapunkt, da forbedringen i kohærens‑tilstanden, som direkte fører til eksponentielt mere pålidelige kvantecomputere, kan ses som den nuværende kvanteversion af Moores lov, som har drevet den konstante forbedring af “normale” computere.

Som det første system under denne tærskel er dette den mest overbevisende prototype for en skalerbar logisk qubit bygget til dato. Det er et stærkt tegn på, at nyttige, meget store kvantecomputere faktisk kan bygges. Willow bringer os tættere på at køre praktiske, kommercielt relevante algoritmer, som ikke kan replikeres på konventionelle computere.

Google Quantum Computing Department

Alt dette var muligt takket være Googles langsigtede investering i deres produktionsfacilitet for superledende kvantechips.

Fra fysisk til logisk qubit

For enhver nyttig beregning skal kvantecomputing bruge logiske qubits eller den faktiske beregningsenhed produceret af den fysiske chip.

Med Willows fejlrate forventes hver logisk qubit at bestå af omkring 1.000 fysiske qubits. Yderligere forbedring af fejlkorrektion kunne endda reducere dette til 200 fysiske qubits.

I øjeblikket har Willow en kapacitet på 105 qubits.

Næste skridt

Med dette gennembrud er perspektivet om at bygge en stabil, pålidelig og skalerbar logisk qubit nu inden for rækkevidde. Især fordi tilføjelse af fysiske qubits nu reducerer fejlraten eksponentielt i stedet for at øge den eksponentielt.

Det mest sandsynlige er, at det næste skridt vil være at bygge efterfølgeren til Willow med endnu flere qubits, samtidig med at fejlkorrektionsteknologien forbedres. Sammen kunne dette gøre hver af Googles næste kvantechip‑designs tilstrækkelige til at skabe en fuld logisk qubit.

Dette vil stadig efterlade en anden udfordring, nemlig at netværke de logiske qubits sammen, så de kan dele og udveksle kvantetilstande.

Kun da vil vi kunne tale om en ægte kvantecomputer, der kan bruges rutinemæssigt og, vigtigere, skaleres op efter behov.

Vi har tidligere diskuteret nogle af de teknologier og parallelle gennembrud, der kunne øge kvantecomputings ydeevne og arkitektur ud over forbedring af qubits, for eksempel:

• Nanomechaniske resonatorer, for bedre at måle kvantetilstand uden at destabilisere qubits.
• Superledende Ikke‑lineær Asymmetrisk Induktiv eLement (SNAIL) resonator, for at gå ud over qubits’ superposition af 0 & 1‑tilstande og udvikle Continuous-Variable (CV) kvantecomputing.
• Bedre superledende materialer, for at forbedre stabiliteten af kvantecomputingsystemer.

Samlet set er Googles gennembrud virkelig banebrydende og en radikal udvikling af kvantecomputings udsigter, med det første realistiske mål for en skalerbar kommerciel computer.

Dog minder selv lederen af Googles Quantum AI‑laboratorium, Hartmut Neven, os om, at dette ikke sker i morgen:

“En chip, der kan udføre kommercielle applikationer, vil ikke dukke op før slutningen af årtiet. Indledningsvis vil disse applikationer være simulering af systemer, hvor kvanteeffekter er vigtige.

For eksempel er det relevant i design af kernesammenfletningsreaktorer for at forstå funktion af lægemidler og farmaceutisk udvikling, det ville være relevant for udvikling af bedre bilbatterier og en lang række af sådanne opgaver.”

Anvendelser

Kvantecomputings potentiale er enormt og kan revolutionere stort set alle videnskabelige felter. Nogle få anvendelser skiller sig ud som særligt indflydelsesrige:

• Biokemisk modellering: fra bestemmelse af den 3D-form af et protein til genekspression, beregning af komplekse biologiske molekyler ned til atomer kan revolutionere bioteknologisk forskning.
• Klimamodellering: Klimamodeller er ekstraordinært komplekse og strækker grænserne for, hvad nuværende supercomputere kan gøre. En bedre forståelse af klimaet, med en finere beregningsskala i modellen, både geografisk og i tid, kan hjælpe med at forstå klimaforandringsrisici.
• Semiconductor: Kvantecomputere kunne bruges til at gøre almindelige computerchips meget mere kraftfulde. Med “normale” chips, der nu når nanometerskalaen, bliver kvantefænomener stadig mere problematiske, og kvantecomputere kan blive nødvendige for at løse dem.
• Materialevidenskab: Forståelse af kvantefysik bedre og materialers reaktion ned til individuelle atomer kan åbne nye designs for materialer brugt i rumfart, batterier, 3D‑print, fremstilling osv.
• Kryptografi: Kvantecomputere kunne potentielt gøre alle nuværende kryptografimetoder forældede. Dette er en alvorlig bekymring for militære, finansielle & IT‑systemer. Men samtidig kunne det gøre kryptografi endnu mere sikker.

Risici

Fordi kvantecomputing er så kraftfuld, er der også alvorlige risici for misbrug. Den største er risiciene vedrørende kryptografi.

Siden Googles annoncering af Willow har flere kommentatorer diskuteret, hvordan muligheden for at bryde al eksisterende kryptografi ville være ødelæggende for kryptovalutaer som Bitcoin.

Og i teorien er dette sandt. Men det er en ret kortsigtet kommentar, mere drevet af en reaktion på Bitcoins nylige bull‑run end at se det store billede. At bryde computere og digitale systemers kryptografi ville lige så meget ødelægge sikkerheden og pålideligheden i hele bank‑ og finanssystemet, ikke kun kryptomønter.

Det ville også være ødelæggende for global geopolitisk stabilitet og militær sikkerhed, da alt fra kommunikation til nukleære lanceringskoder er afhængige af sikker kryptering. En fuldstændig brudt kryptering kunne tillade fremmede magter eller ondsindede aktører at kaste sådanne sikkerhedsapparater i fuldstændig kaos.

Det betyder ikke, at der ikke findes løsninger. For eksempel annoncerede Apple (AAPL ) i februar 2024, at krypteringen, der beskytter iMessage‑chat, bliver gjort “kvante‑sikker” for at forhindre, at den læses af kraftfulde fremtidige kvantecomputere. Vi kan antage, at hvis Apple skifter til kvante‑sikker kryptering, kan de største militære styrker og finansielle institutioner også gøre det.

Kombineret med en tidslinje på flere år for selv en leder som Google at have en kommerciel kvantecomputer, er vi langt fra en katastrofal, umiddelbar risiko.

Kvantecomputing‑virksomhed

Som du har set, er Google meget aktiv inden for kvantecomputing, primært gennem deres Google Quantum AI‑laboratorium og Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantecomputer skrev historie i 2019, da Google hævdede at have opnået “kvantesuverænitet” med deres Sycamore‑maskine, som udførte en beregning på 200 sekunder, som en konventionel supercomputer ville have brugt 10.000 år på.

Dette er naturligvis nu overskygget af Willows ydeevne.

Men måske vil Googles største bidrag være inden for software, en aktivitet hvor de har en imponerende historik, faktisk bedre end inden for hardware (search, G Suite, Android osv.).

Allerede gør Googles Quantum AI en suite af software tilgængelig, designet til at hjælpe forskere med at udvikle kvantealgoritmer.

Den opfordrer også åbent til “forsker, ingeniører og udviklere til at slutte sig til os på denne rejse ved at tjekke vores open source‑software og uddannelsesressourcer, inklusive vores nye kursus på Coursera, hvor udviklere kan lære grundlæggende om kvantefejlkorrektion og hjælpe os med at skabe algoritmer, der kan løse fremtidens problemer.”

Takket være denne åbne tilgang og nu også ledende inden for hardware, samt deres cloud‑løsninger, vil Google sandsynligvis være en af de virksomheder, der fastsætter standarderne for kvantecomputing‑software & kvanteprogrammering, og giver en privilegieret position til at styre, hvor feltet vil udvikle sig i fremtiden.

Og i mellemtiden kan AI‑løsninger, inklusive Waymos selvkørende bil, blive den nye indtægtsdriver for Alphabet (GOOG ), som stadig har en massivt dominerende position inden for søge‑ og annoncebranchen.