Caltechin ‘Ocelot’ on uusin virheiden torjunnan edistysaskel kvanttilaskennassa

Viime vuonna McKinsey & Company julkaisi kattavan raportin jossa hahmotettiin kvanttilaskennan tuleva kehityspolku. Raportti nimettiin kunnianhimoisesti ‘The Rise of Quantum Computing.’ Kuitenkin tavoitteet eivät olleet perusteettomia.

McKinsey totesi, että matka kohti kvanttilaskentaa on saanut vauhtia teknologisten läpimurtojen kiihtyneestä tahdista, kasvaneesta investointivirrasta ja start-up-ekosysteemin laajentumisesta.

Kaikki nämä tekijät ovat saaneet liiketoimintajohtajia suunnittelemaan vahvoja kvanttilaskentastrategioita. Päivitetty McKinseyn analyysi kolmannesta vuosittaisesta Quantum Technology Monitor -tutkimuksesta paljastaa, että neljä sektoria—kemianteollisuus, elintieteet, rahoitus ja liikkuvuus—näkevät todennäköisesti aikaisimman vaikutuksen kvanttilaskennasta ja voivat saavuttaa jopa 2 biljoonaa dollaria vuoteen 2035 mennessä.

Jotta kvanttilaskenta voisi kasvaa McKinseyn näkemysten mukaisesti, tarvitaan kukoistava innovaatiokeskus. Yhdessä näistä huipputason läpimurroista tiedemiehet AWS Center for Quantum Computing Caltechin kampuksella¹ ovat löytäneet tavan vähentää virheitä kvanttitietokoneissa—ongelma, joka voi muodostua suurimmaksi esteeksi tulevaisuuden valmiiden kvanttilaitteiden rakentamisessa. 

Mikä oli ‘ongelma’?

Yleiskäyttöisen kvanttitietokoneen rakentaminen, joka ylittää pelkän fysiikan erikoisalueiden tutkimisen, on edelleen haaste sen sisäisen herkkyyden vuoksi melulle. Tutkijat ovat havainneet, että tärinä, lämpö, matkapuhelimien ja Wi‑Fi-verkkojen aiheuttama sähkömagneettinen häiriö sekä jopa kosmiset säteet ja avaruuden säteily voivat kaikki häiritä kvanttipisteitä (qubiteja), poistaen ne kvanttitilastaan ja aiheuttaen merkittävästi enemmän virheitä kuin perinteiset tietokoneet.

Tarkemmin tieteellisesti ilmaistuna tutkimus, jonka otsikko on ‘Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits’, pyrkii rakentamaan kvanttitietokoneita, jotka sisältävät kvantti‑virheenkorjauksen. Siinä looginen kvanttipiste olisi redundanttisesti koodattu moniin meluisiin fyysisiin kvanttipisteisiin.

Ocelot: Ratkaisu

Yksinkertaisemmin sanottuna AWS:n ja Caltechin tiedemiehistö esitteli uuden kvanttipiirisarjan arkkitehtuurin virheiden vähentämiseksi käyttämällä kvanttityyppiä, joka tunnetaan nimellä kissa‑kvanttipiste (cat qubit).

Kissa‑kvanttipisteet eivät ole uusia; ne ehdotettiin ensimmäisen kerran vuonna 2001. Sen jälkeen tutkijat ovat jatkuvasti kehittäneet ja tarkentaneet niitä. Tiimin läpimurto syntyi ensimmäisen skaalautuvan kissa‑kvanttipistepiirin luomisessa, joka on suunniteltu tehokkaasti vähentämään kvantti‑virheitä. Piiri nimettiin Ocelotiksi jäljittelemään pilkullista villikissaa ja viitaten samalla sisäiseen ‘oskillaatori’-tekniikkaan, joka on kissa‑kvanttipisteiden perusta.

Tutkijoiden mukaan virhetasojen on oltava miljardikertaisesti parempia kuin nykyiset. Vasta silloin kvanttitietokoneita voitaisiin pitää menestyksisinä. Tämä uusi keksintö auttaisi meitä saavuttamaan tavoitteen nopeammin:

Oskar Painterin (PhD’ 01) mukaan John G Braun on Caltechin sovelletun fysiikan ja fysiikan professori sekä AWS:n kvanttihardware‑johtaja:

“Virhetasot ovat laskeneet noin kahdella kerralla kahden vuoden välein. Tällä tahdilla kestäisi 70 vuotta päästä siihen pisteeseen, jossa meidän täytyy olla. Sen sijaan kehitämme uutta piiriarkkitehtuuria, joka saattaa viedä meidät sinne nopeammin. Tämä on kuitenkin varhainen rakennuspalikka. Meillä on vielä paljon tehtävää.”

Tutkijat, korostaen nykyisten kvanttipisteteknologioiden haittoja, sanovat, että ne saattavat vaatia tuhansia lisäkvanttipisteitä halutun virheenkorjaustason saavuttamiseksi, mikä on samanlaista kuin sanomalehdet, jotka palkkaavat suuren joukon faktantarkistajia varmistamaan artikkelien tarkkuuden pienen tiimin sijaan. Tämä saa prosessin rappeutumaan ylimääräisten kustannusten vuoksi, jotka ovat kohtuuttoman suuret ja kömpelöt.

Fernando Brandão, Caltechin Brenin teoreettisen fysiikan professori ja AWS:n soveltavan tieteen johtaja, myöntää tämän ongelman. Hän sanoo:

“Joten yritämme uusia lähestymistapoja virheenkorjaukseen, jotka vähentävät ylimääräisiä kustannuksia.”

Ocelotin perustavanlaatuinen oskillaatio‑teknologia

Tiimi käyttää kvanttipistetyyppiä, joka muodostuu suprajohtavista piireistä, jotka on tehty mikroaaltosillaajista, joissa 1- ja 0-tilat—kvanttipistettä edustavat—määritellään kahdeksi erilliseksi suurikokoiseksi värähtelyamplitudiksi. Tämä lähestymistapa pyrkii tekemään kvanttipisteiden tilat vakaita ja immuuneiksi bittikääntevirheille.

Kun bittikääntevirheet on korjattu, jäljelle jää korjattavaksi vaihe‑kääntevirhe. Vaihevirheiden havaitsemiseksi Ocelot-piiri käyttää neljää apukvanttipistettä.

Tiimin yksinkertainen toistokoodi on tehokas vaihe‑kääntevirheiden havaitsemisessa, ja sen tehokkuus paranee, kun koodi kasvaa kolmesta kissa‑kvanttipisteestä viiteen.

Tutkimuksen tulevaisuuden suunta

Tällä hetkellä demonstraatio on konseptin todistamisvaiheessa. Kuitenkin prosessiin osallistuneet tutkijat, kuten Painter, ovat innoissaan Ocelotin osoittamasta suorituskyvystä. Hän sanoo:

“Kyse on erittäin vaikeasta ongelmasta, ja meidän on jatkettava perus‑ ja tutkimusinvestointeja pysyen yhteydessä ja oppien akateemisessa maailmassa tehtävästä tärkeästä työstä.”

Kuten Painter vihjasi, nämä parannukset tarvitsevat yritysrahoittajia. Skaalaamiseen tarvitaan investointeja. Seuraavissa osioissa käsittelemme muutamia tällaisia yrityksiä, jotka tekevät merkittävää työtä kvanttilaskennan alalla.

1. IBM (IBM )

IBM, maailmanlaajuisesti arvostettu teknologiavalmistaja, pysyy sitoutuneena kvanttilaskennan tekemiseen käytännölliseksi maailmalle. Se ylläpitää omistettua osastoa, IBM Quantum, joka tarjoaa pääsyn maailman suurimpaan kvanttilaskentaflottiin Qiskitin kautta—alusta, joka tarjoaa ohjelmistotyökaluja ja palveluita kokonaisvaltaisen ohjelmointimallin luomiseksi hyödyllisyyteen.

IBM:n QuantumSafe, esimerkiksi, turvaa yrityksen kvanttitulevaisuutta tarjoamalla sen 127‑kvanttipistejärjestelmiä ilmaiseksi. Lisäksi alusta tarjoaa pääsyn järjestelmiin, dokumentaatioon ja oppimateriaalien kaikki yhdessä paikassa.

Yritys on sitoutunut tekemään kvanttilaskennasta vastuullista. Tämän osalta yrityksen missiolause on olla “katalyytti, joka tekee maailmasta paremmin toimivan”, ja se toteuttaa Responsible Quantum Initiative -aloitteen varmistaakseen, että kehityksemme on linjassa tämän mission kanssa.

IBM:n mukaan vastuullinen kvanttilaskenta on kvanttilaskentaa, joka on tietoinen vaikutuksistaan. Yritys on laatinut viisi Vastuullisen Kvanttilaskennan periaatetta kvanttiteknologian kehittämiseen ja käyttöönottoon, joita tiimi noudattaa sisäisesti. Nämä periaatteet ovat seuraavat:

• Tuottaa positiivista yhteiskunnallista vaikutusta.
• Tutkia käyttötapauksia ennakoivasti.
• Edistää IBM:n tuotteita tarkasti
• Tehdä johdonmukaisia, periaatteellisia päätöksiä
• Rakentaa monimuotoinen ja osallistava kvanttiyhteisö

Vakaalla edistymisellä IBM Quantum™ -tiekartassa yritys päivittää kvanttialustaansa tarjotakseen yritystason pilvipalveluja.

Tarkemmin sanottuna yritys päivittää infrastruktuuriaan yritystason tasolle. Jotta perinteiset käyttäjät eivät kokisi häiriöitä, yritys varmistaa, että uuden IBM Quantum -alustan lopullinen versio on hyvin samankaltainen kuin nykyinen versio.

Yritys varmistaa, että käyttäjillä on edelleen pääsy dokumentaatioon ja oppimateriaaleihin, joita se on perinteisesti tarjonnut. Päivitys kuitenkin parantaa arvoa lisääntyneellä suorituskyvyllä ja tehokkailla ominaisuuksilla.

Erityisominaisuuksiin sisältyvät parannettu tietosuoja ja -turvallisuus, virtaviivaistettu ilmoituskokemus, parempi alustan navigointi, useita kielivaihtoehtoja käyttäjille, jotka puhuvat muita kieliä kuin englantia, jne.

Julkisen saavutettavuuden parantamiseksi IBM on rakentanut Quantum Network -verkon. Verkko tukee yrityksiä, yliopistoja, laboratorioita ja teollisuuden johtajia heidän pyrkimyksissään edistää kvanttikäyttöä. Jäsenet saavat pääsyn oppimateriaaleihin, asiantuntijoihin ja tapahtumiin, jotka nopeuttavat tutkimusta ja edistävät yhteistyötä.

Viimeisimmältä tilikaudelta, IBM:n liikevaihto oli 62,8 miljardia dollaria, 1 prosenttia nousua, 3 prosenttia vakiovaluutassa.

Keskustellessaan tuloksistaan Arvind Krishna, IBM:n puheenjohtaja, presidentti ja toimitusjohtaja, sanoi:

“Kolme vuotta sitten asetimme vision nopeammin kasvavalle, kannattavammalle IBM:lle. Olen ylpeä IBM:n tiimin tekemästä työstä, jonka avulla olemme täyttäneet tai ylittäneet sitoumuksemme. Keskittyneellä strategiallamme, laajennetulla portfoliollamme ja innovaatioiden kulttuurilla olemme hyvin asemoituneita vuoteen 2025 ja sen jälkeen, ja odotamme liikevaihdon kasvavan vähintään viisi prosenttia ja vapaan kassavirran olevan noin 13,5 miljardia dollaria tänä vuonna.

2. Microsoft (MSFT )

Toinen johtava teknologiayritys, joka tekee uraauurtavaa työtä kvanttilaskennan alalla, on Microsoft. Sen visio on nopeuttaa tieteellistä löytöä alan johtavan kehittyneen teknologian avulla, joka nopeuttaisi tieteellistä löytöä.

Microsoftilla on seuraavat neljä kvanttiratkaisua:

• Microsoft Quantum Compute Platform: Alusta, joka mahdollistaa uuden sukupolven kvanttisovellukset.
• Azure Quantum Elements: Tarkoitukseen rakennettu ratkaisu tieteellisen löytöjen nopeuttamiseksi.
• Quantum Hardware: Ratkaisu, jonka tavoitteena on avata skaalautuva kvanttisupertietokone.
• Quantum Networking: Ratkaisu, joka mahdollistaa hajautetun kvanttilaskennan kvanttiverkolla

Jos tarkastelemme näitä ratkaisuja käyttäjien näkökulmasta, eri ratkaisut tarjoavat erilaisia palveluita. Esimerkiksi Microsoft Quantum Compute -alustan kautta on mahdollista saada pääsy huipputason kvanttilaitteistoon, luotettaviin loogisiin kvanttipisteisiin, kehittyneisiin AI-malleihin ja HPC-simulaatioihin tieteellisten löytöjen nopeuttamiseksi.

Azure Quantum Elements -ratkaisu auttaa nopeuttamaan tieteellistä löytöä kemiassa ja materiaalitieteessä hyödyntäen korkean suorituskyvyn laskentaa, tekoälyä ja tulevaa kvanttitietokonetta.

Microsoft Quantum Hardware -ratkaisun avulla yritys suunnittelee kvanttisupertietokonetta, jonka avulla maailma voi tarttua ongelmiin, kuten ilmastonmuutoksen kääntämiseen ja ruokaturvan parantamiseen.

Lopuksi Microsoft Quantum Networking -ratkaisun avulla yritys pyrkii tarjoamaan kvanttiverkko‑ominaisuuksia kvanttiryhmien skaalaamiseksi ja mahdollistamaan uusia turvallisuuteen liittyviä sovelluksia.

Jos syvennymme tarkemmin Microsoft Quantum Hardware -ratkaisuun, huomaamme, että se on todellinen läpimurto. Se on läpimurto, koska se edistää pelkästään mittauspohjaista kvanttilaskentaa—perusteellisesti yksinkertaisempaa tapaa hallita kvanttitietoa.

Topologisen ytimen avulla Microsoftin prosessori on suunniteltu skaalautumaan miljoonaan kvanttipisteeseen—riittävä laskentateho ihmiskunnan vaikeimpien haasteiden, kuten energian, lääketieteen ja muiden, ratkaisemiseen.

Tässä yhteydessä voidaan tarkastella Microsoftin Nature-lehdessä julkaistua artikkelia, jonka otsikko on ‘Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices’.

Kaiken kaikkiaan Microsoft Quantum Hardware perustuu seuraaviin peruspilareihin:

• Skaalautuvuus: Ratkaisu on suunniteltu mahdollistamaan hyödyllinen kvanttilaskenta
• Stabiilisuus: Se on vastustuskykyinen virheille laitteistotasolla.
• Pienikokoinen: Laitteisto pystyy majoittamaan yli miljoona kvanttipistettä yhdelle sirulle.
• Nopea: Se kestää alle 1 mikrosekunnin per operaatio.
• Ohjattavuus: Sen jännitepulssit tarjoavat tarkan digitaalisen ohjauksen.

Jos tarkastelemme Azure Quantum Elements -ratkaisun keskeisiä ominaisuuksia, sen generatiivinen kemia hyödyntää generatiivisen tekoälyn voimaa merkittävästi helpottaakseen uusien haluttujen ominaisuuksien omaavien molekyylien löytämistä ja suunnittelua. Nopeutettu DFT-ominaisuus määrittää molekyylien ominaisuudet tuhansilla atomeilla tunneissa, tarjoten merkittävän nopeusparannuksen muihin DFT-koodiin verrattuna.

Lisäksi avoin ekosysteemi auttaa hyödyntämään tuttuja, Azure Quantum Elementsille optimoituja ohjelmistoratkaisuja.

Microsoftin Azure Quantum Elements on auttanut useita tutkimuslaitoksia ja yrityksiä tarjoamaan tulevaisuuden ratkaisuja. Esimerkiksi Unilever on hyödyntänyt Microsoftin supertietokone- ja AI-palveluiden voimaa tukeakseen sen T&K-muutosta ja tuoteinnovaatiota.

Microsoft ja Pacific Northwest National Laboratory yhdistivät voimansa tunnistaakseen uuden materiaalin, jolla on potentiaalia parempiin akkujen valmistukseen. Yritys on tehnyt yhteistyötä AspenTechin kanssa suunnitellakseen kvanttikemian työnkulun. Se on yhdistynyt Johnson Mattheyn kanssa nopeuttaakseen vedyn polttokennojen innovaatiota Azure Quantum -alustan avulla.

Microsoft ja 1910 Genetics tekivät yhteistyötä nopeuttaakseen T&K-tuottavuutta lääketeollisuudessa, samalla kun se teki yhteistyötä InQuanto:n kanssa nopeuttaakseen kvanttikemian laskentaa. Kaiken kaikkiaan Microsoft on näytellyt keskeistä roolia osoittaessaan, miten kvanttilaskenta voi tulla tehokkaasti hyödylliseksi vahvan ja tehokkaan tulevaisuuden rakentamisessa.

Vuonna 2024, joka merkitsi Microsoftin 50‑vuotta yrityksenä. Yritys tuotti yli 245 miljardia dollaria vuotuista liikevaihtoa, 16 prosenttia enemmän edellisvuoteen verrattuna, ja yli 109 miljardia dollaria liiketulosta, 24 prosenttia nousua. Yritys totesi selvästi, että se keskittyy teknisten tuotteiden ja tukiratkaisujen inkubointiin, joilla on mullistava potentiaali pilvipalveluiden tulevaisuudelle ja jatkuvalle yrityksen kasvulle, kuten kvanttilaskenta ja kehittynyt AI tieteelle.

Vaikka suuret teknologiayritykset tekevät parhaansa, instituutioiden tutkimus ei jää jälkeen. Aloitimme keskustelun yhdellä tällaisella läpimurto‑tutkimuksella, ja päätämme muutamalla lisää.

Klikkaa tästä oppiaksesi kvanttilaskennan nykytilasta.

Lisää kvanttilaskennan tutkimuksesta

Google Quantum AI ja yhteistyökumppanit julkaisuivat tutkimuksensa Nature-lehdessä joulukuussa 2024. Sen otsikko oli Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

Tutkimus käsitteli kvantti‑virheenkorjauksen ongelmaa, joka on avain käytännölliseen kvanttilaskentaan. Yhdistämällä useita fyysisiä kvanttipisteitä loogiseksi kvanttipisteeksi, tämä lähestymistapa vähentää eksponentiaalisesti loogisen virhetason, kun kvanttipisteitä lisätään.

Tuloksena tutkijat esittelivät kaksi alarajaa alittavaa surface code -muistia sen uusimmassa suprajohtavassa prosessorissa, Willow, jossa on etäisyys‑7 koodi ja etäisyys‑5 koodi, jotka on integroitu reaaliaikaiseen dekooderiin.

Tulokset olivat merkittäviä. Järjestelmä säilytti alarajan alittavan suorituskyvyn reaaliaikaisessa dekoodauksessa, saavuttaen keskimääräisen dekooderin viiveen 63 mikrosekuntia viiden etäisyyden välillä jopa miljoonaan syklin aikana, syklisten keston ollessa 1,1 mikrosekuntia. Tutkijat väittivät, että heidän tutkimuksensa osoitti, että skaalauttaessa laitteiston suorituskyky voisi täyttää suurten, virheenkestävien kvantti‑algoritmien operatiiviset vaatimukset.

Vuonna 2022, pitäen virheenkorjauksen fokuksessa, IBM:n tutkijat tutkivat koodia nimeltä gross code, uusi koodityyppi, joka voi tallentaa kvanttitiedon virheettömällä tavalla vain murto‑osalla laitteiston ylimääräisistä kustannuksista. Tämä voisi johtaa virheenkorjaukseen, jossa on merkittävästi vähemmän ylimääräisiä kustannuksia.

Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissa IBM etsi erityisesti virheenkestävää kvanttimuistia, jossa on alhainen kvanttipisteiden ylimääräisyys, korkea virhekynnys ja suuri koodietäisyys. Yritys väitti, että sen matemaattinen analyysi löysi konkreettisia esimerkkejä qLDPC‑koodeista, jotka täyttivät kaikki ehdot: virheenkestävyys, kvanttimuisti, korkea virhekynnys, suuri koodietäisyys ja alhainen kvanttipisteiden ylimääräisyys.

Yritys väitti, että sen koodi kuuluu koodiperheeseen nimeltä “Bivariate Bicycle (BB)” -koodit. Ne vaikuttavat paitsi IBM:n tulevaan tutkimukseen myös siihen, miten suunnittelemme fyysisiä kvanttijärjestelmiä.

Kokonaisuudessaan on runsaasti mahdollisuuksia saavuttaa tasainen edistyminen kvantti‑etulyöntiin pyrkimisessä. Maailmanlaajuiset julkiset investoinnit kvanttiteknologiaan saavuttivat 42 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuonna 2023, ja Kiina johti listaa ilmoitetulla hallituksen investoinnilla, joka oli 15,3 miljardia dollaria.

Tämän jälkeen sijoittivat Saksa, Yhdistynyt kuningaskunta, Yhdysvallat ja Etelä‑Korea, muiden joukossa. Se, että teknologisesti kehittyneet taloudet investoivat yhä enemmän kvanttilaskentaan ja siihen liittyviin teknologioihin, todistaa sen valtavan laajuuden. Se, mitä näemme nyt, saattaa olla vain jäävuoren huippu.

Klikkaa tästä saadaksesi listan viidestä johtavasta kvanttilaskentayrityksestä.