Kvanteberegning opnår ubetinget eksponentiel hastighedsforøgelse

Hvad der tidligere kun blev udtrykt på papiret, er nu blevet demonstreret i praksis. Løftet om kvantecomputere er blevet opfyldt i virkeligheden, da de besejre klassiske computere eksponentielt og ubetinget¹.

Til dette formål brugte et forskerhold, ledet af Daniel Lidar, professor i elektro- og datalogiteknik ved USC Viterbi School of Engineering, smart fejlkorrektion og IBMs kraftfulde 127-qubit-processorer, der gjorde det muligt for dem at ...en variation af Simons problem, der demonstrerer, at kvantemaskiner nu bryder fri fra klassiske begrænsninger.

Hvordan kvanteberegning overvinder klassiske begrænsninger og støj

I årtier har klassisk databehandling været normen. Men i de senere år, quantum computing har gennemgået en betydelig udvikling. 

Kvanteberegning er et fremvoksende område inden for datalogi, der anvender principperne for kvanteteori (som forklarer materiens og energiens natur og opførsel på atomare og subatomare niveauer) til dramatisk at øge beregningshastighederne.

Ved hjælp af kvantefysik sigter kvanteberegning mod at løse problemer, der er for komplekse til de klassiske computere, vi bruger dagligt. Faktisk kan kvanteberegning løse visse komplekse simuleringsproblemer, der ville tage en traditionel supercomputer hundredtusindvis af år.

At opnå en reel algoritmisk fordel i forhold til klassiske computere er et af de centrale mål for kvanteberegning for at muliggøre fremtidige gennembrud inden for kemi, kryptografi, optimering og andre områder.

Dette kræver dog specialiseret kvantecomputerhardware og algoritmer, der udnytter kvanteegenskaber som superposition og entanglement. Støj er også et stort problem for kvantecomputere.

Det er desuden fortsat en udfordring at bevise algoritmiske fordele i forhold til klassiske computere på nutidens uperfekte og støjende kvantehardware.

Designere er begyndt at udforske nye løsninger som NISQ-maskiner, men disse støjende kvanteenheder i mellemskala (NISQ) fungerer på en relativt lille skala på flere hundrede qubits.

De er også tilbøjelige til at opleve forringet ydeevne på grund af dekohærens (tab af kvantekohærens, hvilket involverer et tab af information fra et system til dets omgivelser) og kontrolfejl. 

Så fokus er på at fremskynde algoritmisk kvantemekanik på disse enheder, hvilket simpelthen er en skaleringsfordel. Selvom flere af disse typer demonstrationer er blevet foretaget, afhang kompleksiteten af ​​de valgte problemer i dem enten af ​​vanskeligheden ved et begrænset sæt klassiske algoritmer eller formodninger om beregningsmæssig kompleksitet.

For nylig blev en algoritmisk kvantehastighedsforøgelse, der ikke er afhængig af udokumenterede antagelser, vist i orakelmodellen. Dette blev vist for en Bernstein-Vazirani-algoritme, som blev observeret, når den blev sat på en IBM Quantum-processor med uønsket støj elimineret gennem dynamisk afkobling (DD), en almindelig fejlundertrykkelsesteknik for NISQ-enheder. 

Nu tackler forskerholdet fra University of Southern California problemet med støj ved at implementere en variation af Simons problem. Dette er et velkendt eksempel, hvor kvantealgoritmer i teorien ubetinget kan løse en opgave eksponentielt hurtigere end deres klassiske modstykker.

Simons problem er en forgænger til Shors algoritme, som kan bruges til at lancere feltet kvanteberegning. 

Det er også blandt de oprindelige problemer at få bevist en eksponentiel kvantehastighedsforøgelse, dog i Oracle-modellen. Problemet kræver eksponentiel tid at løse på en klassisk computer, men på en støjfri kvantecomputer tager det kun lineær tid, forudsat at Oracle-forespørgsler tælles med, men vi tager ikke højde for de ressourcer, der bruges på at udføre det.

I dette problem involverer den abelske skjulte undergruppe identiteten og en hemmelig streng b med målet at bestemme b, altså dybest set at finde et skjult gentagende mønster i en matematisk funktion.

Enklere sagt er det som et gættespil, hvor spillerne forsøger at gætte et hemmeligt tal, som ikke er kendt af nogen andre end spillets vært, også kendt som "oraklet".

Det hellige tal afsløres, når en spiller gætter to tal, hvor svarene fra oraklet er identiske, og den spiller vinder. Sammenlignet med klassiske spillere kan kvantespillere vinde dette spil eksponentielt hurtigere. 

Opnåelse af ubetinget kvantehastighedsforøgelse

For virkelig at kunne opdage nye materialer, knække koder og designe ny medicin ved hjælp af kvantecomputere ved at fremskynde beregningshastigheden, skal de være funktionelle.

Men som vi nævnte ovenfor, kommer støj eller fejl i vejen. Fejl, der produceres under beregninger på en kvantemaskine, ender med at gøre kvantecomputere endnu mindre kraftfulde end klassiske computere. Det var indtil nu tilfældet.

Lidar fra USC har arbejdet med kvantefejlkorrektion og har vist en kvanteeksponentiel skaleringsfordel i forhold til skyen.

Dette blev beskrevet i detaljer i artiklen 'Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem', hvor Lidar arbejdede sammen med samarbejdspartnere fra USC og Johns Hopkins.

"Der har tidligere været demonstrationer af mere beskedne typer af hastighedsforøgelser, såsom en polynomial hastighedsforøgelse. Men en eksponentiel hastighedsforøgelse er den mest dramatiske type hastighedsforøgelse, vi forventer at se fra kvantecomputere."

- Leder

Ifølge Lidar er det største gennembrud inden for kvanteberegning at demonstrere, at vi rent faktisk kan udføre hele algoritmer med en skaleringshastighed i forhold til vores almindelige computere. Men som han præciserede, betyder det ikke, at man kan gøre tingene 100 gange hurtigere.

Men hvad skaleringshastighedsforøgelse betyder er, at "efterhånden som du øger et problems størrelse ved at inkludere flere variabler, bliver forskellen mellem kvante- og klassisk ydeevne ved med at vokse. Og en eksponentiel hastighedsforøgelse betyder, at ydeevneforskellen omtrent fordobles for hver yderligere variabel," forklarede Lidar.

Han udtalte derefter, at den hastighedsopgradering, holdet har vist, er "ubetinget". Det betyder, at hastighedsforøgelsen ikke afhænger af ubeviste antagelser. 

Tidligere påstande om hastighedsforøgelser krævede antagelsen om, at der ikke findes nogen bedre klassisk algoritme at sammenligne kvantealgoritmen med. 

Holdet her brugte en algoritme, som de havde modificeret til kvantecomputeren, til at løse en variation af "Simons problem".

For at opnå den eksponentielle hastighedsforøgelse "er nøglen at presse hver en ounce af ydeevne ud af hardwaren: kortere kredsløb, smartere pulssekvenser og statistisk fejlreduktion," bemærkede førsteforfatter Phattharaporn Singkanipa, som er en ph.d.-forsker ved USC.

Holdet opnåede dette på fire forskellige måder. Forskerne begrænsede først datainputtet ved at begrænse antallet af tilladte hemmelige tal. Teknisk set gøres dette ved at begrænse antallet af 1'ere i den binære repræsentation af sættet af hemmelige tal. Dette førte til færre kvantelogiske operationer end ellers nødvendigt, hvilket reducerede risikoen for fejlophobning.

Derefter komprimerede de de nødvendige kvantelogiske operationer gennem transpilation, en proces hvor man omskriver et givet input, så det matcher topologien for en bestemt kvanteenhed.

Dernæst blev en metode kaldet "dynamisk afkobling" anvendt, og den havde den største indflydelse på forskernes evne til at demonstrere en kvantehastighedsforøgelse. Denne metode indebærer at anvende sekvenser af omhyggeligt designede pulser for at adskille en qubits adfærd fra dens støjende omgivelser og holde kvantebehandlingen på rette spor.

Til sidst anvendte forskerne målefejlsreduktion (MEM) til at finde og rette visse fejl. Formålet med dette trin er at rette fejl, der opstod ved dynamisk afkobling på grund af ufuldkommenheder i måling af qubits' tilstand i slutningen af ​​algoritmen.

Baner vejen for kvante-nytteværdi

Med kvanteberegninger, der tilbyder betydelige fordele inden for områder som logistik, materialevidenskab, finansiel modellering, kunstig intelligens og cybersikkerhed ved at udnytte kvantemekaniske fænomener til at løse komplekse problemer, oplever markedet betydelige bidrag og vækst.

Samfundet er også begyndt at vise, hvordan kvanteprocessorer kan overgå deres klassiske modparter i målrettede opgaver.

"Vores resultat viser, at nutidens kvantecomputere allerede har en solid fordel ved skalering af kvanteteknologi," sagde Lidar, der også er professor i kemi og fysik ved USC Dornsife College of Letters, Arts and Science og medstifter af Quantum Elements, en virksomhed, der baner vejen for kvanteteknologi i stor skala og forbinder brugere med kvantecomputere.

For et par måneder siden, Quantum Elements-teamet rapporteret² opnår et gennembrud. Deres nye teknik, logisk dynamisk afkobling, tackler logiske fejl, en konstant udfordring inden for kvanteberegning.

Holdet demonstrerede, hvordan denne specifikke proces forhindrer fejl, som traditionelle fejlkorrektionskoder ikke kan adressere, samtidig med at den bevarer et begrænset qubit-fodaftryk. 

De kombinerede fejlkorrektion med logisk dynamisk afkobling, hvilket gjorde det muligt for teamet at forbedre nøjagtigheden af ​​​​sammenfiltrede logiske qubits betydeligt, hvilket bragte praktiske kvanteanvendelser meget tættere på at blive virkelighed.

Med den seneste forskning sagde Lidar i mellemtiden, at "fordelen ved kvanteydelse bliver stadig vanskeligere at bestride", da ydelsesforskellen ikke kan vendes, fordi den påviste eksponentielle hastighedsforøgelse er "ubetinget".

studere viser en utvetydig algoritmisk kvantehastighedsforøgelse for en begrænset Hamming-vægt (HW) version af problemet ved hjælp af to forskellige IBM Quantum-processorer. Forskerne fandt en forbedret kvantehastighedsforøgelse, når beregningen er beskyttet af DD. Brugen af ​​MEM forstærkede skaleringsfordelen yderligere.

MEM og dynamisk kobling blev brugt til fejlundertrykkelse og modificeret for at tilpasse problemet til virkelige kvanteenheder. De hjalp med at opretholde kvantekohærens og forbedre nøjagtigheden på trods af hardwarebegrænsninger. 

Med deres eksperimenter har forskerne bragt NISQ-algoritmer meget tættere på en demonstration af en kvantehastighedsforøgelse gennem Shors algoritme og fremhævet den nøglerolle, som kvantefejlundertrykkelsesteknikker spiller i en sådan demonstration.

Ifølge forskerne er det "en vigtig milepæl for feltet" at demonstrere en eksponentiel hastighedsforøgelse i løsningen af ​​problemet på faktisk kvantehardware. Udover at bygge bro mellem teori og praksis understreger deres resultater også de voksende muligheder hos nuværende kvanteprocessorer. Undersøgelsen bemærkede:

"Efterhånden som hardwaren fortsætter med at forbedres, baner vores tilgang vejen for endnu mere kraftfulde demonstrationer af kvantefordele i den nærmeste fremtid." 

Trods alt dette er der ingen praktiske anvendelser af teknologien ud over at vinde gættespil. Dette har faktisk også været tilfældet for andre fremskridt inden for området.

"Vi har brug for et ChatGPT-øjeblik for kvanteteknologi," havde Francesco Ricciuti, en medarbejder hos VC-firmaet Runa Capital, udtalt til CNBC tilbage i december, da Google afslørede den nye chip, som de sagde markerer et stort gennembrud inden for kvanteberegning.

Googles kvantechip hedder Willow, som har 105 qubits og angiveligt kan reducere fejl "eksponentielt", efterhånden som antallet af qubits skaleres op. Dette "løser en central udfordring inden for kvantefejlkorrektion, som feltet har forfulgt i næsten 30 år," sagde Hartmut Neven, grundlægger af Google Quantum AI.

Willow udførte en beregning, der ville tage nutidens hurtigste supercomputere 10 septillioner år på under fem minutter.

"De forsøger at definere et virkelig stort problem for normale computere, som de kan løse med kvantecomputere. Det er fantastisk, at de kan gøre det, men det betyder ikke rigtigt, at det er nyttigt," sagde Ricciuti dengang.

Selv Google sagde, at deres RCS-benchmark "ikke har nogen kendte anvendelser i den virkelige verden", og at de "videnskabeligt interessante simuleringer af kvantesystemer", som de har udført og ført til nye videnskabelige opdagelser, også "stadig er inden for rækkevidde af klassiske computere".

Teknologigiganten arbejder imidlertid på at træde ind i algoritmernes verden, som ikke kun er uden for klassiske computeres rækkevidde, men som også er "nyttige til virkelige, kommercielt relevante problemer".

Tidligere i år udtalte Julian Kelly, hardwaredirektør hos Google Quantum AI, at vi muligvis er omkring "fem år fra et rigtigt gennembrud, en slags praktisk anvendelse, som man kun kan løse på en kvantecomputer."

Nvidias administrerende direktør, Jensen Huang, mener også, at kvantecomputere kan "levere en ekstraordinær effekt", men bemærkede, at teknologien er "vanvittigt kompliceret".

Ifølge Lidar er der "meget mere arbejde tilbage, før kvantecomputere kan hævdes at have løst et praktisk problem i den virkelige verden." Og det ville kræve hastighedsforøgelser, der ikke afhænger af orakler, der kender svaret på forhånd. Desuden ville vi være nødt til at gøre betydelige fremskridt i metoder til yderligere at reducere dekohærens og støj. 

Ved at demonstrere eksponentielle hastighedsforøgelser, hvilket tidligere blot var et "på papiret løfte" fra kvantecomputere, har forskere dog nået en vigtig milepæl, som er værd at fejre.

Investering i kvanteteknologi

Da kvantecomputere markerer et stort spring fremad inden for computerkapacitet, udvikler adskillige laboratorier, universiteter, virksomheder og offentlige institutioner over hele verden kvantecomputerteknologi. 

Så når det kommer til investeringsmuligheder, har vi Amazon (AMZN ), Intel (INTC )og microsoft (MSFT ) blandt andre, der aktivt udforsker området. Men i dag vil vi se på investeringspotentialet hos IBM (IBM ), en pioner inden for kvantehardware. 

International Business Machines Corporation (IBM )

IBMs 127-qubit processorer blev brugt i selve USC-eksperimentet. Det var sidst i november 2021, at IBM først afslørede denne processor, kaldet Eagle, som efterfulgte deres 65-qubit 'Hummingbird'-processor, der blev lanceret i 2020, og 27-qubit 'Falcon'-processoren et år før.

USC er faktisk et IBM Quantum Innovation Center, mens Quantum Elements er en startup i IBM Quantum Network.

For at fokusere på området har virksomheden en dedikeret platform, IBM Quantum, der sigter mod at bygge den første storskala fejltolerante kvantecomputer. Teknologigiganten sigter mod at levere et system, der præcist kører 100 millioner gates på 200 logiske qubits inden 2029. Med dette system vil IBM "låse op for den første levedygtige vej til at realisere kvantecomputerens fulde kraft."

IBM bygger denne kvantecomputer kaldet "Starling" på sin campus i New York, og den vil understøtte et dybt, fejlkorrigeret kredsløb. Ifølge deres køreplan planlægger virksomheden også en ny IBM Quantum Nighthawk-processor, der skal udgives senere på året.

Sidste måned implementerede virksomheden et Quantum System Two på et forskningscenter i Japan. Og i denne uge deltog tech-giganten i startup-virksomheden Qedmas finansieringsrunde på 26 millioner dollars, og virksomhedens administrerende direktør forventer at demonstrere i år "med tillid til, at kvantefordelen er her." Qedma er allerede tilgængelig via IBMs Qiskit Functions Catalog, som gør kvante tilgængeligt for slutbrugere.

Selvom virksomheden er førende inden for kvanteteknologi, er den primært kendt for sin ekspertise inden for cloud, AI og konsulentvirksomheder, som den leverer gennem segmenterne Software, Consulting og Infrastructure.

Hvis vi ser på IBMs markedspræstation, handles aktierne i virksomheden med en markedsværdi på 268.6 milliarder dollars i skrivende stund til 289 dollars, en stigning på 30.85% i forhold til året før. IBM-aktierne har haft en god tid med kursstigninger på 145% i de sidste tre år, da virksomheden har nået nye højder, mens virksomheden markedsfører sig som leverandør af næste generations enterprise-teknologi.

Den har en EPS (TTM) på 5.85, en P/E (TTM) på 49.81 og en ROE (TTM) på 21.95%. Udbytteprocenten for aktionærerne er i mellemtiden attraktive 2.31%.

Hvad angår IBMs økonomiske resultater, rapporterede de en stigning på 1% i omsætningen til 14.5 milliarder dollars i første kvartal af 2025. Deres GAAP-bruttoavance var 55.2%, og de ikke-GAAP-bruttoavancer var 56.6%. Netto kontantstrømme fra driftsaktiviteter var 4.4 milliarder dollars, mens frie pengestrømme var 2 milliarder dollars.

Administrerende direktør Arvind Krishna tilskrev omsætning, rentabilitet og frie pengestrømme, der overgik forventningerne, til "stærk efterspørgsel efter generativ AI", hvor IBM fortsat var "bullish med hensyn til de langsigtede vækstmuligheder for teknologi og den globale økonomi".

Seneste IBM-aktienyheder og -udviklinger

Konklusion

At demonstrere en algoritmisk kvantehastighedsforøgelse, en der skalerer med problemets størrelse, er nøglen til at fastslå kvantecomputeres anvendelighed. Så demonstrationen af ​​en ubetinget, eksponentiel hastighedsforøgelse markerer et vendepunkt inden for kvanteberegning og beviser, at nutidens enheder kan bryde fri fra klassiske begrænsninger. 

Denne præstation foretaget af forskere udvider betydeligt omfanget af kvantehastighedsforøgelser for orakulære algoritmer, udvider grænsen for empiriske kvantefordele og peger på, at praktisk relevante algoritmer endelig er inden for rækkevidde.

Samlet set er kvantecomputernes rejse mod praktiske, hverdagslige anvendelser stadig i gang, med fortsatte forbedringer for at frigøre kvanteteknologiens fulde kraft!

Klik her for en liste over de førende virksomheder inden for kvantecomputere.

Referencer til undersøgelser:

1. Singkanipa, P.; Kasatkin, V.; Zhou, Z.; Quiroz, G.; Lidar, DA Demonstration af Algoritmisk Quantum Speedup for et Abelian Hidden Subgroup Problem. Phys. Rev. X 2025, 15 (2), 021082. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.15.021082
2. Vezvaee, A.; Tripathi, V.; Morford-Oberst, M.; Butt, F.; Kasatkin, V.; Lidar, DA Demonstration af High-Fidelity Entangled Logical Qubits ved hjælp af Transmons. arXiv 2025, arXiv:2503.14472. https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.14472