Kvantchip-milepæl vekker entusiasme for fremtiden innen databehandling

Et nytt kvanteberegningsmilepæl

Quantum computing is, together with AI, a new horizon for the tech industry. This is because, contrary to andre ikke-silicon databehandlingsteknologier, like graphene, photonics, or even biological organoids, quantum computing performs calculations in a radically new way.

Den gjør dette ved å utnytte kvanteeffekter, der beregningen ikke utføres med 0 & 1 (binære biter), men med qubiter, hvor partikkeldaten enten er 0 OG 1 samtidig, eller 1, eller 0. Disse ulike metodene betyr at for noen matematiske problemer kan kvantedatamaskiner være absurd mer effektive enn vanlige datamaskiner.

Og dette er akkurat det Google nettopp demonstrerte: de har avduket en ny chip som tar fem minutter å løse et problem som i dag ville tatt verdens raskeste superdatamaskiner ti septillion – eller 10 000 000 000 000 000 000 000 000 år – å fullføre.

I tillegg til denne bemerkelsesverdige ytelsen kan dette også være den første kvantechipen som har en rimelig sjanse til å være skalerbar og pålitelig for nyttige beregninger. Resultatene ble publisert i det ledende vitenskapelige tidsskriftet Nature, under tittelen “Kvantefeilkorrigering under overflatekodegrensen”.

Møt Willow

The Google quantum computing chip in question is called Willow.

Kilde: Google

Dette er den siste versjonen i en serie av stadig kraftigere kvantechips utviklet av Google, kalt Foxtail, Bristlecone og Sycamore.

Kilde: Google

For å teste Willows ytelse ble random circuit sampling (RCS)-benchmarken brukt for å sammenligne den med en vanlig superdatamaskin. Denne teknikken ble utviklet for å måle Sycamores ytelse, som evaluerer antall qubiter som kreves for å oppnå en tilsvarende mengde ved bruk av en klassisk datamaskin.

Kilde: Google

Skalerbarhet endelig innen rekkevidde

En stor begrensning for kvanteberegning så langt er at qubiter er ekstremt skjøre. Dette skyldes at kvantetilstander har en svært kort levetid, og forstyrrelser fra miljøet destabiliserer forholdene som kreves for kvanteberegning.

Dette er grunnen til at alle nåværende kvantecomputere bruker ultrakalde forhold og krever superledende materialer. Dette gjør dem ikke bare mer komplekse og kostbare, men også svært vanskelige å bruke pålitelig.

“For å få en kvantecomputer til å utføre nyttige beregninger, trenger du kvanteinformasjon, og du må beskytte den mot miljøet — og mot oss selv, når vi manipulerer den.”

Julian Kelly – fysiker hos Google som leder kvante‑hardware‑divisjonen

For å forverre problemet, jo flere qubiter et system har, desto høyere blir feilen, og enhver ustabilitet forårsaker en dominoeffekt. Så flere qubiter betyr mer feil, helt til punktet hvor økt beregningskraft faktisk reduserer den samlede ytelsen.

Og kanskje mer enn på beregningsevnen, er dette hvor Willow er et ekte gjennombrudd.

Du kan også se mer direkte om den eksakte ytelsen til Willow i Googles dedikerte videopresentasjon:

Feilkorrigering

Det grunnleggende steget for Google har vært å arbeide med såkalt feilkorrigering. Ideen er at i en gitt kvantecomputer vil noen qubiter være mer pålitelige enn andre.

Dermed kan avvikende/underpresterende qubiter rekonfigureres slik at de fungerer som resten av chipen.

Kilde: Google

Ytterligere forbedring kan oppnås ved å forbedre kalibreringsmetoden slik at feil minimeres gjennom programvareforbedringer på alle qubiter.

Kvantfeilkorrigeringsgrense

Denne grensen er et svært ettertraktet mål for kvanteberegningsforskere. Her er feilraten lav nok til at jo flere qubiter du legger til, desto mindre feil får du. Dette ble lenge teoretisert, men ble først oppnådd med Willow.

Vi testet stadig større matriser av fysiske qubiter, fra et rutenett på 3 × 3 kodede qubiter, til et rutenett på 5 × 5, til et rutenett på 7 × 7 — og hver gang, ved å bruke våre nyeste fremskritt innen kvantefeilkorrigering, klarte vi å halvere feilraten.

Google Kvanteberegningsavdeling

Kilde: Google

I hovedsak, i stedet for at feilene bygger seg opp på hverandre til kollaps, er feilene nå sjeldne nok til at de kan korrigeres med ekstra beregningskraft, noe som øker påliteligheten til hele systemet.

En nøkkelfaktor for at Google skulle oppnå dette gjennombruddet var en radikal forbedring av en spesifikk qubit‑ytelse kalt «qubit‑koherenstid». Dette er tiden qubiten kan opprettholde sin koherenstilstand, en forutsetning for å utføre kvanteberegning.

Willow oppnådde en koherenstilstand på 100 mikrosekunder, opp fra kun 20 mikrosekunder for Sycamore i 2019.

Dette er et viktig datapunkt, ettersom forbedringen i koherenstilstand, som direkte fører til eksponentielt mer pålitelige kvantedatamaskiner, kan sees på som den nåværende kvanteversjonen av Moores lov, som har drevet den konstante forbedringen av «vanlige» datamaskiner.

Som det første systemet under denne grensen, er dette den mest overbevisende prototypen for en skalerbar logisk qubit til dags dato. Det er et sterkt tegn på at svært store, nyttige kvantedatamaskiner faktisk kan bygges. Willow bringer oss nærmere å kjøre praktiske, kommersielt relevante algoritmer som ikke kan replikeres på konvensjonelle datamaskiner.

Google Kvanteberegningsavdeling

Alt dette var mulig takket være Googles langsiktige investering i sin fabrikk for produksjon av superledende kvantechips.

Fra fysisk til logisk qubit

For enhver nyttig beregning må kvanteberegning bruke logiske qubiter, altså den faktiske beregningseenheten som produseres av den fysiske chipen.

Med Willows feilrate forventes hver logisk qubit å bestå av omtrent 1 000 fysiske qubiter. Ytterligere forbedring av feilkorrigering kan redusere dette til 200 fysiske qubiter.

For øyeblikket har Willow en kapasitet på 105 qubiter.

Neste steg

Med dette gjennombruddet er perspektivet om å bygge en stabil, pålitelig og skalerbar logisk qubit nå innen rekkevidde. Spesielt siden tillegging av fysiske qubiter nå reduserer feilraten eksponentielt, i stedet for å øke den eksponentielt.

Sannsynligvis vil neste steg være å bygge etterfølgeren til Willow med enda flere qubiter, samtidig som feilkorrigeringsteknologien forbedres. Sammen kan dette gjøre at hver av Googles neste kvantechip‑design vil være tilstrekkelig til å skape en full logisk qubit.

Dette vil fortsatt etterlate en annen utfordring, nemlig å nettverke de logiske qubitene slik at de kan dele og utveksle kvantetilstander.

Først da vil vi kunne snakke om en ekte kvantecomputer som kan brukes rutinemessig og, viktigere, skaleres opp etter behov.

Vi har tidligere diskutert noen av teknologiene og parallelle gjennombrudd som kan øke kvanteberegningens ytelse og arkitektur utover forbedring av qubiter, for eksempel:

• Nanomekaniske resonatorer, for bedre å måle kvantetilstanden uten å destabilisere qubitene.
• Superledende ikke‑lineær asymmetrisk induktiv element (SNAIL) resonator, for å gå utover at qubiter superponerer 0‑ og 1‑tilstander, og utvikle kontinuerlig‑variabel (CV) kvanteberegning.
• Bedre superledende materialer, for å forbedre stabiliteten til kvanteberegningssystemer.

Alt i alt er Googles gjennombrudd virkelig banebrytende og en radikal evolusjon av utsiktene for kvanteberegning, med det første realistiske målet for en skalerbar kommersiell datamaskin.

Imidlertid minner selv lederen for Googles Quantum AI‑lab, Hartmut Neven, oss om at dette ikke skjer i morgen:

“En chip som kan utføre kommersielle applikasjoner vil ikke dukke opp før slutten av dette tiåret. I første omgang vil disse applikasjonene være simulering av systemer der kvanteeffekter er viktige.

For eksempel er det relevant når det gjelder design av fusjonsreaktorer, for å forstå hvordan legemidler fungerer og farmasøytisk utvikling, det vil være relevant for utvikling av bedre bilbatterier og en lang liste av slike oppgaver.”

Applikasjoner

Kvantberegningens potensial er enormt og kan revolusjonere praktisk talt alle vitenskapelige felt. Noen applikasjoner skiller seg ut som spesielt innflytelsesrike:

• Biokjemisk modellering: fra å bestemme 3D‑formen til et protein til genuttrykk, beregning av komplekse biologiske molekyler ned til atomnivå kan revolusjonere bioteknologiforskning.
• Klima‑modellering: Klima‑modeller er usedvanlig komplekse og strekker seg til grensene for hva dagens superdatamaskiner kan håndtere. En bedre forståelse av klimaet, med en finere beregningsskala i modellen, både geografisk og tidsmessig, kan hjelpe med å forstå risikoene ved klimaendringer.
• Halvledere: Kvantcomputere kan brukes til å gjøre vanlige databrikkchips mye kraftigere. Etter hvert som «vanlige» chips nå når nanometerskalaen, blir kvantefenomener stadig mer problematiske, og kvantcomputere kan bli nødvendige for å løse dem.
• Materialvitenskap: Bedre forståelse av kvantefysikk og materialers reaksjon ned til individuelle atomer kan åpne for nye design av materialer som brukes i romfart, batterier, 3D‑utskrift, produksjon osv.
• Kryptografi: Kvantcomputere kan potensielt gjøre alle nåværende kryptografimetoder foreldet. Dette er en alvorlig bekymring for militære, finansielle og IT‑systemer. Men samtidig kan det gjøre kryptografi enda sikrere.

Risiko

Fordi kvanteberegning er så kraftig, finnes det også alvorlige risikoer for misbruk. Den største er risikoen knyttet til kryptografi.

Siden kunngjøringen fra Google om Willow har flere kommentatorer diskutert hvordan muligheten for å bryte all eksisterende kryptografi ville være ødeleggende for kryptovalutaer som Bitcoin.

Og i teorien er dette sant. Men det er en snarere kortsiktig kommentar, mer drevet av en reaksjon på Bitcoins nylige bull‑run enn av et helhetlig perspektiv. Å bryte kryptografien til datamaskiner og digitale systemer vil likeledes bryte sikkerheten og påliteligheten til hele bank- og finanssystemet, ikke bare kryptomynter.

Det ville også være ødeleggende for global geopolitisk stabilitet og militær sikkerhet, ettersom alt fra kommunikasjon til nukleære lanseringskoder er avhengig av sikker kryptering. En fullstendig brutt kryptering kunne tillate fremmede makter eller ondsinnede aktører å sette slike sikkerhetsapparater i fullstendig kaos.

Dette betyr ikke at det ikke finnes løsninger. For eksempel kunngjorde Apple (AAPL ) i februar 2024 at krypteringen som beskytter iMessage‑samtaler blir gjort «kvante‑sikker» for å hindre at de leses av kraftige fremtidige kvantecomputere. Vi kan anta at hvis Apple går over til kvante‑sikker kryptering, kan de største militære styrkene og finansinstitusjonene også gjøre det.

Kombinert med en tidslinje på flere år før selv en leder som Google har en kommersiell kvantecomputer, er vi langt fra en katastrofal, umiddelbar risiko.

Kvanteberegningsselskap

Som du så, er Google svært aktivt innen kvanteberegning, hovedsakelig gjennom sitt Google Quantum AI‑lab og Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantecomputer skrev historie i 2019 da Google hevdet å ha oppnådd «kvantesupre­macy» med sin Sycamore‑maskin, som utførte en beregning på 200 sekunder som en konvensjonell superdatamaskin ville ha brukt 10 000 år på.

Dette er selvfølgelig nå overskygget av Willows ytelse.

Men kanskje Googles største bidrag vil være innen programvare, en aktivitet hvor de har en imponerende merittliste, faktisk bedre enn innen maskinvare (søk, G Suite, Android osv.).

Allerede gjør Googles Quantum AI tilgjengelig en pakke med programvare designet for å hjelpe forskere med å utvikle kvantealgoritmer.

Det oppfordrer også åpent forskere, ingeniører og utviklere til å bli med på denne reisen ved å sjekke ut vår åpen kildekode‑programvare og utdanningsressurser, inkludert vårt nye kurs på Coursera, hvor utviklere kan lære det grunnleggende om kvantefeilkorrigering og hjelpe oss med å lage algoritmer som kan løse fremtidens problemer.

Takket være denne åpne tilnærmingen og nå også ledende innen maskinvare, samt sine skyløsninger, kan Google sannsynligvis bli ett av selskapene som setter standardene for kvanteberegningsprogramvare og kvanteprogrammering, og får en privilegert posisjon til å styre hvor feltet vil utvikle seg i fremtiden.

Og i mellomtiden kan AI‑løsninger, inkludert Waymos selvkjørende bil, bli den nye inntektsdriveren for Alphabet (GOOG ), som fortsatt har en massivt dominerende posisjon innen søke‑ og annonsebransjen.