Caltechs ‘Ocelot’ wird zur neuesten Fehlerunterdrückungs-Entwicklung im Quantencomputing

Im letzten Jahr veröffentlichte McKinsey & Company einen umfassenden Bericht, der die zukünftige Entwicklung des Quantencomputings skizziert. Der Bericht wurde ambitioniert “Der Aufstieg des Quantencomputings” genannt. Die Ambitionen waren jedoch nicht unbegründet.

McKinsey sagte, dass die Reise zum Quantencomputing von der beschleunigten Geschwindigkeit technologischer Durchbrüche, dem erhöhten Investitionsfluss und der Verbreitung des Start-up-Ökosystems angetrieben wird.

All diese Faktoren waren dafür verantwortlich, dass Geschäftsleiter robuste Quantencomputing-Strategien planten. Eine aktualisierte McKinsey-Analyse für den dritten jährlichen Quantum-Technology-Monitor zeigt, dass vier Sektoren – Chemie, Life Sciences, Finanzen und Mobilität – wahrscheinlich die frühesten Auswirkungen des Quantencomputings sehen werden und bis 2035 bis zu 2 Billionen Dollar gewinnen könnten.

Damit das Quantencomputing wie von McKinsey vorgestellt wachsen kann, würde es ein blühendes Innovationsökosystem erfordern. In einem der fortschrittlichsten Durchbrüche in dieser Hinsicht haben Wissenschaftler am AWS Center for Quantum Computing auf dem Caltech-Campus¹ eine Möglichkeit gefunden, Fehler in Quantencomputern zu unterdrücken – ein Problem, das zum größten Hindernis beim Bau zukunftsfähiger Quantenmaschinen werden könnte.

Was war das ‘Problem’?

Das Bau eines allgemeinen Quantencomputers, der über die Untersuchung von Nischenbereichen der Physik hinausgeht, bleibt eine Herausforderung aufgrund seiner inhärenten Empfindlichkeit gegenüber Rauschen. Forscher haben festgestellt, dass Vibrationen, Wärme, elektromagnetische Interferenzen von Mobiltelefonen und Wi-Fi-Netzwerken sowie sogar kosmische Strahlen und Strahlung aus dem Weltraum alle Qubits – Quantenbits – aus ihrem Quantenzustand schlagen und erheblich mehr Fehler als klassische Computer verursachen können.

Um dies mit wissenschaftlicher Präzision zu erläutern, zielt die Forschung, die “Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits” heißt, darauf ab, Quantencomputer zu bauen, die Quantenfehlerkorrektur einbeziehen. Sie würde ein logisches Qubit redundant in vielen verrauschten physischen Qubits kodieren.

Ocelot: Die Lösung

In einfacheren Worten demonstrierte das Team von Wissenschaftlern von AWS und Caltech eine neue Quanten-Chip-Architektur zur Unterdrückung von Fehlern mithilfe einer Art Qubit, die als Katzen-Qubit bekannt ist.

Katzen-Qubits sind nicht neu; sie wurden erstmals 2001 vorgeschlagen. Seitdem haben Forscher sie kontinuierlich entwickelt und verfeinert. Der Durchbruch für das Team kam mit der Erstellung des ersten skalierbaren Katzen-Qubit-Chips, der darauf ausgelegt ist, Quantenfehler effizient zu reduzieren. Der Chip wurde Ocelot genannt, nach dem gefleckten Wildkatzen, während auch die interne “Oszillator”-Technologie, die den Katzen-Qubits zugrunde liegt, referenziert wird.

Laut den Forschern müssen die Fehlerraten um einen Faktor von einer Milliarde besser sein als sie es heute sind. Nur dann könnten Quantencomputer als erfolgreich bezeichnet werden. Die neue Erfindung würde uns helfen, das Ziel schneller zu erreichen:

Laut Oskar Painter (PhD ’01), John G Braun ist Professor für angewandte Physik und Physik am Caltech und Leiter der Quanten-Hardware bei AWS:

“Die Fehlerraten sind in den letzten zwei Jahren um etwa einen Faktor zwei gesunken. Bei dieser Rate würde es uns 70 Jahre dauern, dorthin zu gelangen, wo wir hin müssen. Stattdessen entwickeln wir eine neue Chip-Architektur, die uns möglicherweise schneller dorthin bringen kann. Das ist jedoch ein frühes Bauelement. Wir haben noch viel Arbeit vor uns.”

Die Forscher, während sie die Nachteile der aktuellen Qubit-Technologien hervorheben, sagen, dass sie möglicherweise Tausende zusätzlicher Qubits benötigen, um den gewünschten Schutz vor Fehlern zu bieten, was ähnlich ist, wie wenn Zeitungsverlage ein riesiges Gebäude von Faktenprüfern beschäftigen, um die Genauigkeit ihrer Artikel zu überprüfen, anstatt nur ein kleines Team. Dies macht den Prozess aufgrund der hohen Overhead-Kosten zusammenbrechen, die exzessiv und unhandlich sind.

Fernando Brandão, Bren-Professor für Theoretische Physik am Caltech und Direktor der angewandten Wissenschaft bei AWS, gibt dies zu. Er sagt:

“Wir versuchen also neue Ansätze für die Fehlerkorrektur, die den Overhead reduzieren.”

Die Oszillationstechnologie als Grundlage von Ocelot

Das Team verwendet eine Art Qubit, die aus supraleitenden Schaltkreisen besteht, die aus Mikrowellen-Oszillatoren bestehen, wobei die 1- und 0-Zustände – die den Qubit darstellen – als zwei verschiedene große Oszillationsamplituden definiert sind. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Qubit-Zustände stabil und unempfindlich gegenüber Bit-Flip-Fehlern zu machen.

Sobald die Bit-Flip-Fehler behoben sind, bleibt der andere Fehler, der korrigiert werden muss, der Phasen-Flip-Fehler. Um Phasenfehler zu erkennen, setzt der Ocelot-Chip vier Hilfsqubits ein.

Das einfache Wiederholungscode des Teams ist effektiv darin, Phasen-Flip-Fehler zu erkennen und verbessert sich, wenn der Code von drei Katzenqubits auf fünf Katzenqubits erhöht wird.

Der Weg nach vorne für die Forschung

Derzeit befindet sich die Demonstration auf einem Proof-of-Concept-Stadium. Aber Forscher, die am Prozess beteiligt sind, wie Painter, sind von der Leistung begeistert, die Ocelot gezeigt hat. Er sagt:

“Es ist ein sehr hartes Problem, das anzugehen, und wir werden weiterhin in die Grundlagenforschung investieren müssen, während wir mit wichtigen Arbeiten in der Wissenschaft verbunden bleiben und von ihnen lernen.”

Wie Painter andeutete, benötigen diese Verbesserungen Unterstützung durch Unternehmen. Es erfordert Investitionen, um sie zu skalieren. Im Folgenden diskutieren wir einige Unternehmen, die bedeutende Arbeit auf dem Gebiet des Quantencomputings leisten.

1. IBM (IBM )

IBM, der global verehrte Technologie-Riese, bleibt dem Ziel verpflichtet, das Quantencomputing praktisch für die Welt zu machen. Es betreibt eine eigene Abteilung, IBM Quantum, die Zugang zum größten Quantencomputing-Flotte der Welt über Qiskit bietet – eine Plattform, die Software-Tools und -Dienstleistungen bietet, um ein umfassendes Programmiermodell für die Nützlichkeit zu erstellen.

IBMs QuantumSafe sichert ein Unternehmen für die Quantenzukunft, indem es seine 127-Qubit-Systeme kostenlos anbietet. Darüber hinaus bietet die Plattform Zugang zu Systemen, Dokumentation und Lernressourcen an einem Ort.

Das Unternehmen ist bestrebt, das Quantencomputing verantwortungsvoll zu gestalten. Die Missionserklärung des Unternehmens in dieser Hinsicht lautet, “der Katalysator zu sein, um die Welt besser zu machen”, und es führt eine verantwortungsvolle Quanten-Initiative durch, um sicherzustellen, dass unsere Entwicklung mit dieser Mission übereinstimmt.

Laut IBM ist verantwortungsvolles Quantencomputing Quantencomputing, das sich seiner Auswirkungen bewusst ist. Das Unternehmen hat fünf Grundsätze für verantwortungsvolles Quantencomputing entwickelt, die das Team intern befolgt. Diese Grundsätze lauten wie folgt:

• Ein positiver gesellschaftlicher Einfluss erzielen.
• Use Cases mit Voraussicht erkunden.
• IBMs Produkte genau bewerben
• Konsistente, prinzipielle Entscheidungen treffen
• Eine vielfältige und integrative Quantengemeinschaft aufbauen

Mit dem stetigen Fortschritt entlang der IBM-Quantum-Roadmap aktualisiert das Unternehmen seine Quantenplattform, um Unternehmens-Grade-Cloud-Dienste zu liefern.

Insbesondere aktualisiert das Unternehmen mit Unternehmens-Grade-Infrastruktur. Um jedoch für seine Legacy-Benutzer nahtlos zu bleiben, wird das Unternehmen sicherstellen, dass die endgültige Version der neuen IBM-Quantum-Plattform sehr ähnlich der Version ist, die wir derzeit verwenden.

Das Unternehmen wird sicherstellen, dass Benutzer weiterhin Zugang zu den Dokumentationen und Lernressourcen haben, die es traditionell beherbergt hat. Die Aktualisierung wird jedoch den Wert durch gesteigerte Leistung und leistungsstarke Funktionen erhöhen.

Unter bestimmten Funktionen wird die Aktualisierung mit verbesserter Datenprivatsphäre und -sicherheit, einem gestreamten Benachrichtigungserlebnis, besserer Plattformnavigation, mehrsprachigen Optionen für Benutzer, die andere Sprachen als Englisch sprechen, und vielem mehr ausgestattet.

Für erhöhte öffentliche Zugänglichkeit hat IBM ein Quantum-Netzwerk aufgebaut. Das Netzwerk unterstützt Unternehmen, Universitäten, Labore und Branchenführer auf ihrem Weg, die Quantennützlichkeit voranzutreiben. Mitglieder erhalten Zugang zu Lernressourcen, Experten und Veranstaltungen, um die Forschung zu beschleunigen und die Zusammenarbeit zu fördern.

Für das letzte Finanzjahr erzielte IBM einen Umsatz von 62,8 Milliarden Dollar, ein Plus von 1 Prozent, bei konstantem Wechselkurs ein Plus von 3 Prozent.

Während er über die Ergebnisse sprach, sagte Arvind Krishna, IBM-Vorsitzender, Präsident und CEO:

“Vor drei Jahren haben wir eine Vision für ein wachsendes, profitables IBM skizziert. Ich bin stolz auf die Arbeit, die das IBM-Team geleistet hat, um unsere Ziele zu erfüllen oder zu übertreffen. Mit unserer fokussierten Strategie, unserem erweiterten Portfolio und unserer Innovationskultur sind wir gut positioniert für 2025 und darüber hinaus und erwarten ein Umsatzwachstum von mindestens 5 Prozent und einen freien Cashflow von etwa 13,5 Milliarden Dollar in diesem Jahr.”

2. Microsoft (MSFT )

Ein weiterer führender Technologie-Riese, der bahnbrechende Arbeit auf dem Gebiet des Quantencomputings leistet, ist Microsoft. Seine Vision ist es, die wissenschaftliche Entdeckung durch branchenführende fortschrittliche Technologie zu beschleunigen, die die wissenschaftliche Entdeckung beschleunigen würde.

Microsoft hat die folgenden vier Quantenlösungen:

• Microsoft Quantum Compute Platform: Eine Plattform, die eine neue Generation von Quantenanwendungen ermöglicht.
• Azure Quantum Elements: Eine speziell entwickelte Lösung, um die wissenschaftliche Entdeckung zu beschleunigen.
• Quanten-Hardware: Eine Lösung, die darauf abzielt, einen skalierbaren Quanten-Supercomputer zu entsperren.
• Quanten-Netzwerk: Eine Lösung, die verteiltes Quantencomputing mit einem Quanten-Netzwerk ermöglicht

Wenn wir diese Lösungen aus der Perspektive ihrer Benutzer betrachten, bieten verschiedene Lösungen unterschiedliche Dienstleistungen. Zum Beispiel ermöglicht die Microsoft-Quantum-Compute-Plattform den Zugang zu state-of-the-art-Quanten-Hardware, zuverlässigen logischen Qubits, fortschrittlichen KI-Modellen und HPC-Simulationen, um wissenschaftliche Entdeckungen zu beschleunigen.

Die Azure-Quantum-Elements-Lösung hilft, die wissenschaftliche Entdeckung für Chemie und Materialwissenschaft durch Hochleistungscomputing, künstliche Intelligenz und einen zukünftigen Quantencomputer zu beschleunigen.

Durch Microsoft-Quanten-Hardware entwickelt das Unternehmen einen Quanten-Supercomputer, der es der Welt ermöglichen wird, Probleme wie die Umkehrung des Klimawandels und die Verbesserung der Lebensmittelsicherheit anzugehen.

Schließlich zielt Microsoft-Quanten-Netzwerk darauf ab, Quanten-Netzwerkfähigkeiten zu liefern, um Quanten-Cluster zu skalieren und neue sicherheitsbezogene Anwendungen zu ermöglichen.

Wenn wir tiefer in die Microsoft-Quanten-Hardware eintauchen, werden wir erkennen, dass es tatsächlich ein Durchbruch ist. Es ist ein Durchbruch, weil es die Messung-only-Quantencomputing-Technologie – eine grundlegend einfachere Möglichkeit, Quanteninformation zu steuern – vorantreibt.

Das von einem Topologischen Kern angetriebene Microsoft-Prozessor-Design ist darauf ausgelegt, auf eine Million Qubits zu skalieren – genug Rechenleistung, um die härtesten Herausforderungen der Menschheit in den Bereichen Energie, Medizin und darüber hinaus anzugehen.

In diesem Zusammenhang kann man sich Microsofts Paper ansehen, das in Nature veröffentlicht wurde und “Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices” heißt.

Insgesamt basiert die Microsoft-Quanten-Hardware auf den folgenden grundlegenden Säulen:

• Skalierbarkeit: Die Lösung ist darauf ausgelegt, nützliches Quantencomputing zu ermöglichen
• Stabilität: Sie ist resistent gegen Fehler auf der Hardware-Ebene.
• Klein: Die Hardware ist in der Lage, mehr als eine Million Qubits auf einem einzigen Chip unterzubringen.
• Schnell: Sie benötigt weniger als 1 Mikrosekunde pro Operation.
• Steuerbar: Die Spannungspulse bieten präzise digitale Steuerung.

Wenn wir uns die wichtigsten Funktionen von Azure-Quantum-Elements ansehen, vereinfacht die generative Chemie die Entdeckung und das Design neuer Moleküle mit gewünschten Eigenschaften mithilfe der Kraft der generativen KI erheblich. Die beschleunigte DFT-Funktion bestimmt die Eigenschaften von Molekülen mit Tausenden von Atomen in Stunden, was eine erhebliche Geschwindigkeitssteigerung gegenüber anderen DFT-Codes bietet.

Darüber hinaus hilft das offene Ökosystem dabei, vertraute Softwarelösungen zu nutzen, die für Azure-Quantum-Elements optimiert sind.

Microsofts Azure-Quantum-Elements hat mehreren Forschungseinrichtungen und Unternehmen geholfen, Lösungen für die Zukunft zu liefern. Zum Beispiel hat Unilever die Kraft von Microsoft-Supercomputing und KI-Diensten genutzt, um seine R&D-Transformation und Produktinnovation zu unterstützen.

Microsoft und das Pacific Northwest National Laboratory haben sich zusammengetan, um ein neues Material zu identifizieren, das das Potenzial für bessere Batterien hat. Das Unternehmen hat mit AspenTech zusammengearbeitet, um einen Quanten-Chemie-Workflow zu entwerfen. Es hat sich mit Johnson Matthey zusammengetan, um die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Innovation mit Azure-Quantum zu beschleunigen.

Microsoft und 1910 Genetics haben sich zusammengetan, um die R&D-Produktivität für die Pharmaindustrie zu beschleunigen, während es mit InQuanto zusammengearbeitet hat, um die Quanten-Computational-Chemie zu beschleunigen. Insgesamt hat Microsoft eine wichtige Rolle bei der Demonstration gespielt, wie das Quantencomputing effizient nützlich für eine robuste und effiziente Zukunft sein kann.

Im Jahr 2024, das das 50-jährige Bestehen des Unternehmens markierte, erzielte Microsoft einen Jahresumsatz von über 245 Milliarden Dollar, ein Plus von 16 Prozent im Vergleich zum Vorjahr, und einen Betriebsgewinn von über 109 Milliarden Dollar, ein Plus von 24 Prozent. Das Unternehmen sagte ausdrücklich, dass es auf die Inkubation technischer Produkte und Support-Lösungen mit transformatorischem Potenzial für die Zukunft des Cloud-Computing und des weiteren Unternehmenswachstums fokussiert sei, wie z.B. Quantencomputing und fortschrittliche KI für die Wissenschaft.

Während große Tech-Unternehmen ihr Bestes tun, bleibt die institutionelle Forschung nicht zurück. Wir haben unser Gespräch mit einem solchen Durchbruch eröffnet, und wir werden es mit einem weiteren abschließen.

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Mehr über die Quantencomputing-Forschung

Google Quantum AI und Collaborators veröffentlichten ihre Forschung in Nature im Dezember 2024. Sie trug den Titel Quantenfehlerkorrektur unter der Oberflächen-Code-Schwelle.²

Die Forschung beschäftigte sich mit dem Problem der Quantenfehlerkorrektur, einem Schlüsselpfad zum praktischen Quantencomputing. Durch die Kombination mehrerer physischer Qubits zu einem logischen Qubit wird dieser Ansatz die logische Fehlerrate exponentiell unterdrücken, wenn mehr Qubits hinzugefügt werden.

Infolgedessen präsentierten die Forscher zwei unter der Oberflächen-Code-Schwelle liegende Speicher auf seinem neuesten Generation von supraleitenden Prozessoren, Willow, einen Code mit einer Entfernung von 7 und einen Code mit einer Entfernung von 5, der in Echtzeit dekodiert wurde.

Die Ergebnisse waren bedeutend. Das System hielt die Leistung unter der Schwelle, wenn es in Echtzeit dekodiert wurde, und erreichte eine durchschnittliche Dekodierungsverzögerung von 63 Mikrosekunden bei Entfernungen von 5 bis zu einer Million Zyklen, mit einer Zykluszeit von 1,1 Mikrosekunden. Die Forscher behaupteten, dass ihre Forschung darauf hindeutet, dass die Geräteleistung, wenn sie skaliert wird, die betrieblichen Anforderungen großer, fehlertoleranter Quantenalgorithmen realisieren könnte.

Im Jahr 2022, mit Fokus auf die Fehlerkorrektur, erforschten IBM-Forscher einen Code namens Gross-Code, eine neue Art von Code, der Quanteninformation auf fehlerfreie Weise mit einem Bruchteil der Hardware-Overhead speichern kann. Dies könnte zu einer Fehlerkorrektur mit erheblich weniger Overhead führen.

In einem in Nature veröffentlichten Paper suchte IBM speziell nach fehlertoleranter Quantenspeicher mit geringem Qubit-Overhead, hoher Fehlertoleranz und großer Code-Entfernung. Das Unternehmen behauptete, dass seine mathematische Analyse konkrete Beispiele von qLDPC-Codes gefunden hat, die alle Bedingungen für Fehlertoleranz, Quantenspeicher und hohe Fehlertoleranz, große Code-Entfernung und geringen Qubit-Overhead erfüllen.

Das Unternehmen behauptete, dass sein Code zu einer Familie von Codes gehört, die als “Bivariate Bicycle (BB)”-Codes bezeichnet werden. Sie werden nicht nur IBMs Forschung in Zukunft prägen, sondern auch, wie wir physische Quantensysteme architektonisch gestalten.

Insgesamt gibt es genügend Spielraum, um stetige Fortschritte bei der Annäherung an den Quantenvorteil zu realisieren. Die globalen öffentlichen Investitionen in Quantentechnologie erreichten 2023 42 Milliarden US-Dollar, wobei China mit einer angekündigten Regierungsinvestition von 15,3 Milliarden US-Dollar an der Spitze lag.

Dies wurde von Deutschland, dem Vereinigten Königreich, den Vereinigten Staaten und Südkorea gefolgt. Die Tatsache, dass technologisch fortschrittliche Volkswirtschaften mehr in Quantencomputing und verwandte Technologien investieren, ist ein Zeichen dafür, dass der Umfang enorm ist. Was wir jetzt sehen, mag nur die Spitze des Eisbergs sein.

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