Caltechs ‘Ocelot’ blir den nyeste feilslettingsfremgangen innen kvantedatabehandling

I fjor publiserte McKinsey & Company en omfattende rapport som skisserer den fremtidige utviklingen av kvantedatabehandling. Rapporten ble ambisiøst kalt ‘The Rise of Quantum Computing.’ Imidlertid var ambisjonene ikke grunnløse.

McKinsey sa at reisen mot kvantedatabehandling ble drevet av den akselererte takten i teknologiske gjennombrudd, økt investeringsstrøm og en spredning av oppstartsmiljøet.

Alle disse faktorene var ansvarlige for å få forretningsledere til å planlegge robuste strategier for kvantedatabehandling. Oppdatert McKinsey-analyse for den tredje årlige Quantum Technology Monitor avslører at fire sektorer – kjemikalier, livsvitenskap, finans og mobilitet – sannsynligvis vil oppleve den tidligste påvirkningen fra kvantedatabehandling og kan oppnå opptil 2 billioner dollar innen 2035.

For at kvantedatabehandling skal vokse slik McKinsey forestiller, kreves et blomstrende innovasjonsøkosystem. I et av de mest banebrytende gjennombruddene på dette området har forskere ved AWS Center for Quantum Computing på Caltechs campus¹ funnet en måte å undertrykke feil i kvantedatamaskiner – et problem som kan bli den største hindringen i å bygge fremtidssikrede kvanteenheter. 

Hva var ‘Problemet’?

Å bygge en generell kvantedatamaskin som går utover å studere nisjeområder innen fysikk er fortsatt en utfordring på grunn av dens iboende følsomhet for støy. Forskere har funnet at vibrasjoner, varme, elektromagnetisk interferens fra mobiltelefoner og Wi‑Fi‑nettverk, og til og med kosmiske stråler og stråling fra verdensrommet kan påvirke qubits – kvantebiter – og slå dem ut av deres kvantetilstand, noe som forårsaker betydelig flere feil enn klassiske datamaskiner.

For å utdype med mer vitenskapelig presisjon, arbeider forskningen, med tittelen ‘Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits’, mot å bygge kvantedatamaskiner som vil innlemme kvantefeilkorrigering. Den vil ha en logisk qubit redundante kodet i mange støyende fysiske qubits.

Ocelot: Løsningen

Med enklere ord demonstrerte teamet av forskere fra AWS og Caltech en ny kvantechip-arkitektur for å undertrykke feil ved bruk av en type qubit kjent som en cat qubit.

Cat Qubits er ikke nye, men de ble først foreslått i 2001. Siden da har forskere kontinuerlig utviklet og forbedret dem. Gjennombruddet for teamet kom med skapelsen av den første skalerbare cat qubit-chippen, designet for effektivt å redusere kvantefeil. Chippen ble kalt Ocelot etter den flekkete ville katten, samtidig som den refererer til den interne ‘oscillator’-teknologien som ligger til grunn for cat qubits.

Ifølge forskerne må feilrater være en milliard ganger bedre enn de er i dag. Først da kan kvantedatamaskiner betegnes som vellykkede. Den nye oppfinnelsen vil hjelpe oss å nå målet raskere:

Ifølge Oskar Painter (PhD’ 01), John G Braun er professor i anvendt fysikk og fysikk ved Caltech og leder for kvantehardware hos AWS:

“Feilratene har gått ned med omtrent en faktor på to hvert andre år. I dette tempoet vil det ta oss 70 år å komme dit vi trenger å være. I stedet utvikler vi en ny chip-arkitektur som kan få oss dit raskere. Det sagt, dette er en tidlig byggeblokk. Vi har fortsatt mye arbeid å gjøre.”

Forskerne, mens de fremhever ulempene ved dagens qubit-teknologier, sier at de kan kreve tusenvis av ekstra qubits for å gi ønsket beskyttelsesnivå mot feil, noe som er likt med avisorganisasjoner som ansetter et enormt antall faktasjekkere for å verifisere nøyaktigheten i artiklene sine i stedet for bare et lite team. Dette får prosessen til å kollapse på grunn av de høye overheadkostnadene, som er overdrevne og uhåndterlige.

Fernando Brandão, Bren Professor i teoretisk fysikk ved Caltech og direktør for anvendt vitenskap hos AWS, innrømmer dette problemet. Han sier:

“Så, vi prøver nye tilnærminger til feilkorrigering som vil redusere overheaden.”

Oscillasjonsteknologien på grunnlaget av Ocelot

Teamet bruker en type qubit laget av superledende kretser bestående av mikrobølge-oscillatorer, hvor 1- og 0-tilstandene – som representerer qubiten – er definert som to distinkte store oscillasjonsamplituder. Denne tilnærmingen har som mål å gjøre qubit-tilstandene stabile og immun mot bit-flip-feil.

Når bit-flip-feilene er håndtert, er den andre feilen som gjenstår å korrigere fase-flip-feilen. For å oppdage fasefeil bruker Ocelot-chippen fire hjelpesqubits.

Teamets enkle repetisjonskode er effektiv til å fange fase-flip-feil og forbedres når koden økes fra tre cat qubits til fem cat qubits.

Veien videre for forskningen

For øyeblikket er demonstrasjonen på et proof-of-concept-nivå. Men forskere involvert i prosessen, som Painter, er begeistret for ytelsen Ocelot har vist. Han sier:

“Det er et svært vanskelig problem å takle, og vi må fortsette å investere i grunnforskning samtidig som vi holder oss tilknyttet og lærer av viktig arbeid som gjøres i akademia.”

Som Painter antydet, trenger disse forbedringene bedriftspatroner. Det krever investeringer for å skalere opp. I de følgende segmentene diskuterer vi et par slike selskaper som gjør betydelig arbeid innen kvantedatabehandling.

1. IBM (IBM )

IBM, den globalt anerkjente teknologigiganten, forblir forpliktet til å gjøre kvantedatabehandling praktisk for verden. De driver en dedikert avdeling, IBM Quantum, som tilbyr tilgang til verdens største kvantedatabehandlingsflåte via Qiskit – en plattform som gir programvareverktøy og tjenester for å skape en helhetlig programmeringsmodell for nytte.

IBM’s QuantumSafe, for eksempel, sikrer en virksomhet for den kvantefremtiden, og tilbyr sine 127‑qubit‑systemer gratis. I tillegg gir plattformen tilgang til systemer, dokumentasjon og læringsressurser samlet på ett sted.

Selskapet er forpliktet til å gjøre kvantedatabehandling ansvarlig. Selskapets misjonserklæring i denne sammenhengen er å være “katalysatoren for å få verden til å fungere bedre”, og de driver en Responsible Quantum Initiative for å sikre at vår utvikling er i tråd med den misjonen.

Ifølge IBM er Responsible Quantum Computing kvantedatabehandling som er bevisst på sine effekter. Selskapet har utarbeidet fem Responsible Quantum Principles for utvikling og utrulling av kvanteteknologi som teamet følger internt. Disse prinsippene er som følger:

• Skape en positiv samfunnsmessig påvirkning.
• Utforske bruksområder med fremtidsrettet innsikt.
• Promotere IBMs produkter nøyaktig
• Ta konsistente, prinsippbaserte beslutninger
• Bygge et mangfoldig og inkluderende kvantefellesskap

Med jevn fremgang langs IBM Quantum™ Roadmap oppgraderer selskapet sin kvanteplattform for å levere skybaserte tjenester på bedriftsnivå.

Mer spesifikt oppgraderer selskapet med infrastruktur på bedriftsnivå. For å forbli sømløs for sine eldre brukere, vil selskapet sikre at den endelige versjonen av den nye IBM Quantum Platform vil være svært lik den versjonen vi bruker nå.

Selskapet vil sikre at brukerne fortsatt har tilgang til dokumentasjonen og læringsressursene de tradisjonelt har samlet. Oppgraderingen vil imidlertid øke verdien med forbedret ytelse og kraftige funksjoner.

Blant spesifikke funksjoner vil oppgraderingen komme med forbedret dataprivatliv og sikkerhet, en strømlinjeformet varslingserfaring, bedre plattformnavigasjon, flere språkvalg for brukere som snakker andre språk enn engelsk, osv.

For økt offentlig tilgjengelighet har IBM bygget et Quantum Network. Nettverket støtter bedrifter, universiteter, laboratorier og industriledere i deres reise mot å fremme kvantebruk. Medlemmer får tilgang til læringsressurser, eksperter og arrangementer for å akselerere forskning og fremme samarbeid.

For det siste regnskapsåret, registrerte IBM en omsetning på 62,8 milliarder dollar, opp 1 prosent, opp 3 prosent i konstant valuta.

Mens han snakket om resultatene, sa Arvind Krishna, IBM sin styreleder, president og administrerende direktør:

“For tre år siden la vi frem en visjon for et raskere voksende, mer lønnsomt IBM. Jeg er stolt av arbeidet IBM-teamet har gjort for å møte eller overgå våre forpliktelser. Med vår fokuserte strategi, forbedrede portefølje og innovasjonskultur, er vi godt posisjonert for 2025 og videre, og vi forventer inntektsvekst på minst fem prosent og fri kontantstrøm på omtrent 13,5 milliarder dollar i år.”

2. Microsoft (MSFT )

En annen ledende teknologigigant som gjør banebrytende arbeid innen kvantedatabehandling er Microsoft. Deres visjon er å akselerere vitenskapelige oppdagelser gjennom bransjeledende avansert teknologi som vil fremskynde vitenskapelige gjennombrudd.

Microsoft har følgende fire kvante-løsninger:

• Microsoft Quantum Compute Platform: En plattform som muliggjør en ny generasjon av kvanteapplikasjoner.
• Azure Quantum Elements: Det er en formålsbygget løsning for å akselerere vitenskapelige oppdagelser.
• Quantum Hardware: Løsning rettet mot å frigjøre en skalert kvantesuperdatamaskin.
• Quantum Networking: En løsning som muliggjør distribuert kvantedatabehandling med et kvantenettverk

Hvis vi ser på disse løsningene fra brukernes perspektiv, gir ulike løsninger ulike tjenester. For eksempel, gjennom Microsoft Quantum Compute-plattformen, er det mulig å få tilgang til toppmoderne kvantehardware, pålitelige logiske qubits, avanserte AI-modeller og HPC-simuleringer for å akselerere vitenskapelige oppdagelser.

Azure Quantum Elements-løsningen hjelper med å akselerere vitenskapelige oppdagelser innen kjemi og materialvitenskap gjennom høyytelsesberegning, kunstig intelligens og en fremtidig kvantedatamaskin.

Gjennom Microsoft Quantum Hardware utvikler selskapet en kvantesuperdatamaskin som vil gjøre det mulig for verden å takle problemer som å reversere klimaendringer og forbedre matsikkerhet.

Til slutt, gjennom Microsoft Quantum Networking, har selskapet som mål å levere kvantenettverkskapasiteter for å skalere kvanteklynger og muliggjøre nye sikkerhetsrelaterte applikasjoner.

Hvis vi går dypere inn i Microsoft Quantum Hardware, vil vi innse at det virkelig er et gjennombrudd. Det er et gjennombrudd fordi det pionerer måling‑kun‑kvantedatabehandling – en fundamentalt enklere måte å kontrollere kvanteinformasjon på.

Drevet av en topologisk kjerne, er Microsofts prosessor designet for å skalere til en million qubits – nok beregningskraft til å takle menneskehetens tøffeste utfordringer innen energi, medisin og mer.

I denne sammenhengen kan man se på Microsofts artikkel, publisert i Nature, med tittelen ‘Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices.’

Totalt sett bygger Microsoft Quantum Hardware på følgende grunnleggende pilarer:

• Skalerbarhet: Løsningen er designet for å muliggjøre nyttig kvantedatabehandling
• Stabilitet: Den er motstandsdyktig mot feil på maskinvarenivå.
• Liten: Maskinvaren kan romme mer enn én million qubits i én enkelt chip.
• Rask: Den tar mindre enn 1 mikrosekund per operasjon.
• Kontrollerbar: Dens spenningspulser gir presis digital kontroll.

Hvis vi ser på nøkkelfunksjonene til Azure Quantum Elements, utnytter dens generative kjemi kraften i generativ AI for å forenkle oppdagelsen og designen av nye molekyler med ønskede egenskaper. Den akselererte DFT-funksjonen bestemmer egenskapene til molekyler med tusenvis av atomer på timer, og gir en betydelig hastighetsøkning sammenlignet med andre DFT‑koder.

I tillegg hjelper det åpne økosystemet med å bruke kjente programvareløsninger optimalisert for Azure Quantum Elements.

Microsofts Azure Quantum Elements har hjulpet flere forskningsinstitusjoner og selskaper med å levere løsninger for fremtiden. For eksempel har Unilever utnyttet kraften i Microsofts superdatabehandling og AI‑tjenester for å støtte sin FoU‑transformasjon og produktinnovasjon.

Microsoft og Pacific Northwest National Laboratory gikk sammen for å identifisere et nytt materiale med potensial for bedre batterier. Selskapet har samarbeidet med AspenTech for å designe en kvantekjemi‑arbeidsflyt. Det har gått sammen med Johnson Matthey for å fremskynde innovasjon innen hydrogenbrenselceller med Azure Quantum.

Microsoft og 1910 Genetics samarbeidet for å turbo-lade FoU‑produktiviteten for farmasøytisk industri, mens de samarbeidet med InQuanto for å akselerere kvanteberegning av kjemi. Samlet har Microsoft spilt en nøkkelrolle i å demonstrere hvordan kvantedatabehandling kan bli effektivt nyttig for en robust og effektiv fremtid.

I 2024, året som markerte Microsofts 50-årsjubileum som selskap. Selskapet leverte over 245 milliarder dollar i årlig omsetning, opp 16 prosent år over år, og over 109 milliarder dollar i driftsinntekt, opp 24 prosent. Selskapet uttalte tydelig at de fokuserte på å inkubere teknologiprodukter og støtteløsninger med transformativt potensial for fremtiden til sky‑databehandling og fortsatt selskapvekst, som kvantedatabehandling og avansert AI for vitenskap.

Mens store teknologiselskaper gjør sitt beste, henger ikke institusjonell forskning etter. Vi startet diskusjonen med en slik banebrytende forskning, og vi vil avslutte med et par til.

Klikk her for å lære om den nåværende tilstanden til kvantedatabehandling.

Mer om kvantedatabehandlingsforskning

Google Quantum AI og samarbeidspartnere publiserte sin forskning i Nature i desember 2024. Den hadde tittelen Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

Forskningen tok for seg problemet med kvantefeilkorrigering, en nøkkelvei til praktisk kvantedatabehandling. Ved å kombinere flere fysiske qubits til en logisk qubit, undertrykker denne tilnærmingen eksponentielt den logiske feilraten etter hvert som flere qubits legges til.

Som resultat presenterte forskerne to under‑terskel surface‑code‑minner på sin nyeste generasjon av superledende prosessorer, Willow, en avstand‑7‑kode og en avstand‑5‑kode integrert med en sanntidsdekoder.

Resultatene var betydelige. Systemet opprettholdt under‑terskel‑ytelse ved dekoding i sanntid, og oppnådde en gjennomsnittlig dekoder‑latens på 63 mikrosekunder ved avstander fra fem opp til en million sykluser, med en syklustid på 1,1 mikrosekunder. Forskerne hevdet at deres forskning indikerte at dersom den skaleres, kunne enhetens ytelse oppfylle driftskravene til storskala feil‑tolerante kvantealgoritmer.

I 2022, med feilkorrigering i fokus, utforsket IBM‑forskere en kode kalt gross code, en ny type kode som kan lagre kvanteinformasjon på en feilfri måte med en brøkdel av maskinvarens overhead. Dette kan føre til feilkorrigering med betydelig mindre overhead.

I en artikkel publisert i Nature, lette IBM spesifikt etter feil‑tolerant kvante‑minne med lav qubit‑overhead, høy feilterskel og stor kodestørrelse. Selskapet hevdet at deres matematiske analyse fant konkrete eksempler på qLDPC‑koder som oppfylte alle betingelsene for å være feil‑tolerante, ha et kvante‑minne, og ha høy feilterskel, stor kodestørrelse og lav qubit‑overhead.

Selskapet hevdet at deres kode falt inn i en familie av koder kalt “Bivariate Bicycle (BB)”-koder. De vil forme ikke bare IBMs fremtidige forskning, men også hvordan vi arkitekturerer fysiske kvantesystemer.

Alt i alt er det rikelig med rom for å oppnå jevn fremgang mot kvantefordelen. Globale offentlige investeringer i kvanteteknologi nådde 42 milliarder dollar i 2023, med Kina i ledelsen med en kunngjort statlig investering på 15,3 milliarder dollar.

Dette ble etterfulgt av Tyskland, Storbritannia, USA og Sør‑Korea, blant andre. Det faktum at teknologisk avanserte økonomier investerer mer i kvantedatabehandling og relatert teknologi, er et bevis på at omfanget er enormt. Det vi ser nå kan bare være toppen av isfjellet.

Klikk her for en liste over de fem beste kvantedatabehandlingsselskapene.