Caltech’s ‘Ocelot’ wordt de nieuwste foutonderdrukkingsdoorbraak in quantum computing

Vorig jaar publiceerde McKinsey & Company een uitgebreid rapport waarin de toekomstige traject van quantum computing werd uitgezet. Het rapport kreeg de ambitieuze naam ‘The Rise of Quantum Computing.’ De ambities waren echter niet ongegrond.

McKinsey stelde dat de reis naar quantum computing werd aangedreven door het versnelde tempo van technologische doorbraken, een toenemende stroom van investeringen en een proliferatie van het start-up ecosysteem.

Al deze factoren waren verantwoordelijk voor het stimuleren van bedrijfsleiders om robuuste quantum computing strategieën te plannen. De bijgewerkte McKinsey-analyse voor de derde jaarlijkse Quantum Technology Monitor onthult dat vier sectoren — chemicaliën, life sciences, financiën en mobiliteit — waarschijnlijk de vroegste impact van quantum computing zullen zien en tegen 2035 tot $2 biljoen kunnen opleveren.

Om quantum computing te laten groeien zoals McKinsey zich voorstelt, is een bloeiend innovatie-ecosysteem vereist. In een van de meest geavanceerde doorbraken op dit gebied hebben wetenschappers bij het AWS Center for Quantum Computing op de campus van Caltech¹ een manier gevonden om fouten in quantumcomputers te onderdrukken — een probleem dat de grootste hindernis kan worden bij het bouwen van toekomstbestendige quantummachines. 

Wat was het ‘Probleem’?

Het bouwen van een algemene quantumcomputer die verder gaat dan het bestuderen van nichegebieden van de fysica blijft een uitdaging vanwege de inherente gevoeligheid voor ruis. Onderzoekers hebben ontdekt dat trillingen, warmte, elektromagnetische interferentie van mobiele telefoons en Wi‑Fi‑netwerken, en zelfs kosmische straling en straling uit de ruimte qubits — quantum bits — uit hun quantumtoestand kunnen slaan en aanzienlijk meer fouten veroorzaken dan klassieke computers.

Om dit met meer wetenschappelijke precisie uit te leggen, richt het onderzoek, getiteld “Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits”, zich op het bouwen van quantumcomputers die quantumfoutcorrectie integreren. Het zou een logisch qubit hebben dat redundante gecodeerd is in vele lawaaierige fysieke qubits.

Ocelot: De Oplossing

In eenvoudigere bewoordingen toonde het team van wetenschappers van AWS en Caltech een nieuwe quantumchip-architectuur voor het onderdrukken van fouten met behulp van een type qubit dat bekend staat als een cat qubit.

Cat Qubits zijn niet nieuw; ze werden voor het eerst voorgesteld in 2001. Sindsdien hebben onderzoekers ze continu ontwikkeld en verfijnd. De doorbraak voor het team kwam met de creatie van de eerste schaalbare cat qubit-chip, ontworpen om quantumfouten efficiënt te verminderen. De chip kreeg de naam Ocelot, vernoemd naar de gevlekte wilde kat en verwijzend naar de interne “oscillator”-technologie die ten grondslag ligt aan de cat qubits.

Volgens onderzoekers moeten foutpercentages een miljard keer beter zijn dan ze nu zijn. Alleen dan kunnen quantumcomputers als succesvol worden beschouwd. De nieuwe uitvinding zou ons helpen het doel sneller te bereiken:

Volgens Oskar Painter (PhD’ 01) is John G Braun professor in toegepaste fysica en fysica aan Caltech en hoofd van quantumhardware bij AWS:

“Foutpercentages dalen ongeveer met een factor twee elke twee jaar. Als we dit tempo aanhouden, zou het ons 70 jaar kosten om te komen waar we moeten zijn. In plaats daarvan ontwikkelen we een nieuwe chip-architectuur die ons mogelijk sneller daar kan brengen. Dat gezegd hebbende, dit is een vroeg bouwblok. We hebben nog veel werk te doen.”

De onderzoekers, terwijl ze de nadelen van de huidige qubit-technologieën benadrukken, stellen dat ze duizenden extra qubits kunnen vereisen om het gewenste beschermingsniveau tegen fouten te bieden, wat vergelijkbaar is met kranten die een enorme staf van factcheckers inzetten om de nauwkeurigheid van hun artikelen te verifiëren in plaats van slechts een klein team. Dit maakt het proces broos door de hoge overheadkosten, die buitensporig en onhandelbaar zijn.

Fernando Brandão, Bren Professor of Theoretical Physics aan Caltech en directeur van toegepaste wetenschap bij AWS, erkent dit probleem. Hij zegt:

“Dus, we proberen nieuwe benaderingen voor foutcorrectie die de overhead zullen verminderen.”

De Oscillatie Technologie aan de Basis van Ocelot

Het team maakt gebruik van een type qubit gevormd uit supergeleidende circuits gemaakt van microgolfoscillatoren, waarbij de 1- en 0-toestanden — die het qubit vertegenwoordigen — worden gedefinieerd als twee verschillende grootschalige oscillatie-amplitudes. Deze benadering is gericht op het stabiel maken van de qubit-toestanden en ze onkwetsbaar te maken voor bit-flip-fouten.

Zodra de bit-flip-fouten zijn aangepakt, blijft de fase-flip-fout over die nog moet worden gecorrigeerd. Om fasefouten te detecteren, zet de Ocelot-chip vier ancilla-qubits in.

De eenvoudige herhalingscode van het team is effectief in het opvangen van fase-flip-fouten en verbetert naarmate de code toeneemt van drie cat qubits naar vijf cat qubits.

De Toekomst voor het Onderzoek

Momenteel bevindt de demonstratie zich in een proof-of-concept fase. Maar onderzoekers die bij het proces betrokken zijn, zoals Painter, zijn enthousiast over de prestaties die Ocelot heeft laten zien. Hij zegt:

“Het is een zeer moeilijk probleem om aan te pakken, en we zullen moeten blijven investeren in fundamenteel onderzoek terwijl we verbonden blijven met, en leren van, belangrijk werk dat in de academische wereld wordt gedaan.”

Zoals Painter al aangaf, hebben deze verbeteringen corporate sponsors nodig. Het vereist investeringen om op te schalen. In de volgende segmenten bespreken we een paar van zulke bedrijven die belangrijk werk doen op het gebied van quantum computing.

1. IBM

IBM, de wereldwijd gerespecteerde techgigant, blijft zich inzetten om quantum computing praktisch te maken voor de wereld. Het heeft een toegewijde divisie, IBM Quantum, die via Qiskit toegang biedt tot de grootste quantumcomputing-vloot ter wereld — een platform dat softwaretools en diensten levert om een holistisch programmeermodel voor nut te creëren.

IBM’s QuantumSafe biedt bijvoorbeeld een onderneming zekerheid voor de quantumtoekomst, door zijn 127-qubit systemen gratis aan te bieden. Bovendien biedt het platform toegang tot systemen, documentatie en leermiddelen, allemaal op één plek.

Het bedrijf zet zich in om quantum computing verantwoord te maken. De missie van het bedrijf in dit opzicht is om “de katalysator te zijn om de wereld beter te laten functioneren,” en het runt een Responsible Quantum Initiative om ervoor te zorgen dat onze ontwikkeling in lijn is met die missie.

Volgens IBM is Responsible Quantum Computing quantum computing die zich bewust is van zijn effecten. Het bedrijf heeft vijf Responsible Quantum Principles opgesteld voor het ontwikkelen en inzetten van quantumtechnologie, die het team intern volgt. Deze principes zijn als volgt:

• Een positieve maatschappelijke impact maken.
• Gebruikssituaties met vooruitziende blik verkennen.
• IBM’s producten nauwkeurig promoten
• Consistente, principiële beslissingen nemen
• Een diverse en inclusieve quantumgemeenschap opbouwen

Met gestage vooruitgang langs de IBM Quantum™ Roadmap, werkt het bedrijf zijn quantumplatform bij om enterprise-grade cloudservices te leveren.

Specifieker, het bedrijf werkt zijn infrastructuur bij naar enterprise-grade. Om echter naadloos te blijven voor zijn legacy‑gebruikers, zal het bedrijf ervoor zorgen dat de uiteindelijke versie van het nieuwe IBM Quantum Platform zeer vergelijkbaar zal zijn met de versie die we nu gebruiken.

Het bedrijf zal ervoor zorgen dat gebruikers blijven beschikken over de documentatie en leermiddelen die het traditioneel heeft ondergebracht. De upgrade zal echter de waarde verhogen met verbeterde prestaties en krachtige functies.

Onder de specifieke functies zal de upgrade onder meer verbeterde gegevensprivacy en -beveiliging, een gestroomlijnde meldingservaring, betere platformnavigatie, meerdere taalopties voor gebruikers die andere talen dan Engels spreken, enzovoort bevatten.

Voor een hoger niveau van publieke toegankelijkheid heeft IBM een Quantum Network gebouwd. Het netwerk ondersteunt bedrijven, universiteiten, laboratoria en industriële leiders in hun reis om de quantumnut te bevorderen. Leden krijgen toegang tot leermiddelen, experts en evenementen om onderzoek te versnellen en samenwerking te bevorderen.

Voor het laatste financiële jaar registreerde IBM een omzet van $62,8 miljard, een stijging van 1 procent, 3 procent bij constante valuta.

Terwijl hij over de resultaten sprak, zei Arvind Krishna, voorzitter, president en chief executive officer van IBM:

“Drie jaar geleden schetsten we een visie voor een sneller groeiende, winstgevendere IBM. Ik ben trots op het werk dat het IBM-team heeft geleverd om aan onze verplichtingen te voldoen of ze te overtreffen. Met onze gerichte strategie, verbeterde portfolio en cultuur van innovatie, staan we goed gepositioneerd voor 2025 en daarna en verwachten we een omzetgroei van minstens vijf procent en een vrije kasstroom van ongeveer $13,5 miljard dit jaar.”

2. Microsoft

Een andere toonaangevende techgigant die baanbrekend werk doet op het gebied van quantum computing is Microsoft (MSFT ). Haar visie is om wetenschappelijke ontdekkingen te versnellen via toonaangevende geavanceerde technologie die wetenschappelijke ontdekkingen zou versnellen.

Microsoft heeft de volgende vier quantumoplossingen:

• Microsoft Quantum Compute Platform: Een platform dat een nieuwe generatie quantumapplicaties mogelijk maakt.
• Azure Quantum Elements: Een speciaal gebouwde oplossing om wetenschappelijke ontdekkingen te versnellen.
• Quantum Hardware: Oplossing gericht op het ontsluiten van een schaalbare quantum-supercomputer.
• Quantum Networking: Een oplossing die gedistribueerd quantumcomputing mogelijk maakt met een quantumnetwerk

Als we naar deze oplossingen kijken vanuit het perspectief van hun gebruikers, bieden verschillende oplossingen verschillende diensten. Bijvoorbeeld, via het Microsoft Quantum Compute-platform is het mogelijk toegang te krijgen tot geavanceerde quantumhardware, betrouwbare logische qubits, geavanceerde AI-modellen en HPC-simulaties om wetenschappelijke ontdekkingen te versnellen.

De Azure Quantum Elements-oplossing helpt wetenschappelijke ontdekkingen voor chemie en materiaalkunde te versnellen via High-Performance Computing, Kunstmatige Intelligentie en een toekomstige quantumcomputer.

Via Microsoft Quantum Hardware ontwikkelt het bedrijf een quantum-supercomputer die de wereld in staat zal stellen problemen aan te pakken zoals het omkeren van klimaatverandering en het verbeteren van voedselzekerheid.

Tenslotte streeft Microsoft Quantum Networking ernaar om quantumnetwerkcapaciteiten te leveren om quantumclusters op te schalen en nieuwe beveiligingsgerelateerde toepassingen mogelijk te maken.

Als we dieper ingaan op Microsoft Quantum Hardware, realiseren we ons dat het inderdaad een doorbraak is. Het is een doorbraak omdat het measurement-only quantum computing pioniert — een fundamenteel eenvoudigere manier om quantuminformatie te beheersen.

Aangedreven door een Topological Core is de processor van Microsoft ontworpen om op te schalen tot een miljoen qubits — voldoende rekenkracht om de moeilijkste uitdagingen van de mensheid op het gebied van energie, geneeskunde en meer aan te pakken.

In dit opzicht kan men kijken naar het paper van Microsoft, gepubliceerd in Nature, getiteld ‘Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices.’

Over het geheel genomen rust Microsoft Quantum Hardware op de volgende fundamentele pijlers:

• Schaalbaarheid: De oplossing is ontworpen om bruikbare quantumcomputing mogelijk te maken
• Stabiliteit: Het is bestand tegen fouten op hardware‑niveau.
• Klein: De hardware kan meer dan een miljoen qubits op één enkele chip huisvesten.
• Snel: Het duurt minder dan 1 microseconde per bewerking.
• Controleerbaar: De spanningspulsen bieden precieze digitale controle.

Als we kijken naar de belangrijkste kenmerken van Azure Quantum Elements, maakt de generatieve chemie gebruik van de kracht van generatieve AI om de ontdekking en het ontwerp van nieuwe moleculen met gewenste eigenschappen sterk te vereenvoudigen. De versnelde DFT-functie bepaalt de eigenschappen van moleculen met duizenden atomen in uren, wat een aanzienlijke snelheidswinst oplevert ten opzichte van andere DFT-codes.

Bovendien helpt het open ecosysteem bij het gebruik van vertrouwde softwareoplossingen die geoptimaliseerd zijn voor Azure Quantum Elements.

Azure Quantum Elements van Microsoft heeft verschillende onderzoeksinstellingen en bedrijven geholpen oplossingen voor de toekomst te leveren. Bijvoorbeeld, Unilever heeft de kracht van Microsoft supercomputing en AI-diensten benut om haar R&D-transformatie en productinnovatie te ondersteunen.

Microsoft en het Pacific Northwest National Laboratory hebben de krachten gebundeld om een nieuw materiaal te identificeren met potentieel voor betere batterijen. Het bedrijf heeft samengewerkt met AspenTech om een quantumchemie-werkstroom te ontwerpen. Het heeft de samenwerking aangegaan met Johnson Matthey om de innovatie van waterstofbrandstofcellen te versnellen met Azure Quantum.

Microsoft en 1910 Genetics hebben een partnerschap gevormd om de R&D-productiviteit voor de farmaceutische industrie te versnellen, terwijl het samenwerkte met InQuanto om quantumcomputational chemistry te versnellen. Alles bij elkaar heeft Microsoft een sleutelrol gespeeld in het aantonen hoe quantumcomputing efficiënt bruikbaar kan worden voor een robuuste en efficiënte toekomst.

In 2024, het jaar dat het 50-jarig jubileum van Microsoft markeerde. Het bedrijf leverde meer dan $245 miljard aan jaarlijkse omzet, een stijging van 16 procent jaar-op-jaar, en meer dan $109 miljard aan operationele winst, een stijging van 24 procent. Het bedrijf verklaarde nadrukkelijk dat het zich richtte op het incuberen van technische producten en ondersteuningsoplossingen met transformatief potentieel voor de toekomst van cloudcomputing en voortdurende bedrijfsgroei, zoals quantumcomputing en geavanceerde AI voor wetenschap.

Terwijl grote techbedrijven hun best doen, blijft institutioneel onderzoek niet achter. We begonnen onze discussie met een dergelijke baanbrekende onderzoek, en we zullen afsluiten met nog een paar.

Klik hier om meer te leren over de huidige staat van quantum computing.

Meer over Quantum Computing Onderzoek

Google Quantum AI en medewerkers publiceerden hun onderzoek in Nature in december 2024. Het kreeg de titel Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

Het onderzoek behandelde het probleem van quantumfoutcorrectie, een cruciale weg naar praktische quantumcomputing. Door meerdere fysieke qubits te combineren tot een logisch qubit, onderdrukt deze aanpak exponentieel de logische foutkans naarmate meer qubits worden toegevoegd.

Als resultaat presenteerden de onderzoekers twee onder-drempel surface‑code‑memorieën op hun nieuwste generatie supergeleidende processors, Willow, een distance‑7‑code en een distance‑5‑code geïntegreerd met een realtime decoder.

De resultaten waren significant. Het systeem behield onder‑drempel prestaties bij realtime decodering, met een gemiddelde decoder‑latentie van 63 microseconden bij afstanden van vijf tot een miljoen cycli, met een cyclustijd van 1,1 microseconden. De onderzoekers beweerden dat hun onderzoek aangaf dat, indien opgeschaald, de apparaatprestaties aan de operationele eisen van grootschalige fouttolerante quantumalgoritmen zouden kunnen voldoen.

In 2022, met foutcorrectie in de focus, onderzochten IBM‑onderzoekers een code genaamd de gross‑code, een nieuw type code dat quantuminformatie kan opslaan op een foutvrije manier met een fractie van de hardware‑overhead. Dit zou kunnen leiden tot foutcorrectie met aanzienlijk minder overhead.

In een paper gepubliceerd in Nature zocht IBM specifiek naar fault‑tolerante quantum‑memory met een lage qubit‑overhead, hoge foutdrempel en een grote code‑afstand. Het bedrijf beweerde dat zijn wiskundige analyse concrete voorbeelden van qLDPC‑codes vond die aan alle voorwaarden voldeden: fault‑tolerant, een quantum‑memory, een hoge foutdrempel, een grote code‑afstand en een lage qubit‑overhead.

Het bedrijf beweerde dat zijn code viel binnen een familie van codes genaamd “Bivariate Bicycle (BB)”‑codes. Deze zouden niet alleen IBM’s toekomstig onderzoek vormgeven, maar ook hoe we fysieke quantum‑systemen architectureren.

Al met al is er ruime ruimte om gestage vooruitgang te realiseren in het benaderen van het quantum‑voordeel. Wereldwijde publieke investeringen in quantumtechnologie bereikten US$42 miljard in 2023, waarbij China de leiding nam met een aangekondigde overheidsinvestering van US$15,3 miljard.

Daarop volgden Duitsland, het Verenigd Koninkrijk, de Verenigde Staten en Zuid‑Korea, onder andere. Het feit dat technologisch geavanceerde economieën meer investeren in quantumcomputing en gerelateerde technologie is een bewijs dat de reikwijdte enorm is. Wat we nu zien, is misschien slechts de top van de ijsberg.

Klik hier voor een lijst van de top vijf quantumcomputing‑bedrijven.