Caltechs ‘Ocelot’ blir det senaste framsteget i felreducering inom kvantdatorer

Förra året publicerade McKinsey & Company en omfattande rapport som skissade framtida bana för kvantdatorer. Rapporten fick den ambitiösa titeln ‘The Rise of Quantum Computing.’ Ambitionerna var dock inte obefogade.

McKinsey sade att resan mot kvantdatorer drivs av den accelererade takten av tekniska genombrott, ökade investeringsflöden och en spridning av startup‑ekosystemet.

Alla dessa faktorer har lett till att företagsledare planerar robusta kvantdatorstrategier. En uppdaterad McKinsey‑analys för den tredje årliga Quantum Technology Monitor visar att fyra sektorer – kemikalier, livsvetenskaper, finans och mobilitet – sannolikt kommer att se den tidigaste påverkan från kvantdatorer och kan vinna upp till 2 biljoner dollar till 2035.

För att kvantdatorer ska växa som McKinsey föreställer sig krävs ett blomstrande innovations‑ekosystem. I ett av de mest banbrytande genombrotten i detta avseende har forskare vid AWS Center for Quantum Computing på Caltechs campus¹ funnit ett sätt att undertrycka fel i kvantdatorer – ett problem som kan bli det största hindret för att bygga framtidsklara kvantmaskiner. 

What Was the ‘Problem’?

Att bygga en allmänkvantdator som går bortom att studera nischområden inom fysik är fortfarande en utmaning på grund av dess inneboende känslighet för brus. Forskare har upptäckt att vibrationer, värme, elektromagnetisk interferens från mobiltelefoner och Wi‑Fi‑nätverk, samt kosmiska strålar och strålning från rymden, alla kan störa qubits – kvantbitar – och slå dem ur deras kvanttillstånd, vilket orsakar avsevärt fler fel än klassiska datorer.

För att förklara med mer vetenskaplig precision arbetar forskningen, med titeln Hardware‑Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits, mot att bygga kvantdatorer som skulle inkorporera kvantfelkorrigering. Den skulle ha en logisk qubit redundantly kodad i många brusiga fysiska qubits.

Ocelot: The Solution

Med enklare ord demonstrerade ett team av forskare från AWS och Caltech en ny kvantchip‑arkitektur för att undertrycka fel med en typ av qubit känd som en cat‑qubit.

Cat‑qubits är inte nya; de föreslogs först 2001. Sedan dess har forskare kontinuerligt utvecklat och förfinat dem. Genombrottet för teamet kom med skapandet av den första skalbara cat‑qubit‑chippen, designad för att effektivt minska kvantfel. Chippen fick namnet Ocelot efter den fläckiga vilda katten och refererar samtidigt till den interna ”oscillator”-teknologin som ligger till grund för cat‑qubits.

Enligt forskarna måste felräntorna vara en miljard gånger bättre än de är idag. Endast då kan kvantdatorer betraktas som framgångsrika. Den nya uppfinningen skulle hjälpa oss nå målet snabbare:

According to Oskar Painter (PhD’ 01), John G Braun is a professor of applied physics and physics at Caltech and the head of quantum hardware at AWS:

“Error rates have been going down about a factor of two every two years. At this rate, it would take us 70 years to get to where we need to be. Instead, we are developing a new chip architecture that may be able to get us there faster. That said, this is an early building block. We still have a lot of work to do.”

Forskarnas kommentarer belyser nackdelarna med nuvarande qubit‑teknologier och påpekar att de kan kräva tusentals extra qubits för att ge önskad skyddsnivå mot fel, vilket liknar tidningsredaktioner som anlitar ett enormt team av faktagranskare för att verifiera artikelns korrekthet istället för bara ett litet team. Detta får processen att kollapsa på grund av de enorma kostnaderna för overhead.

Fernando Brandão, Bren Professor of Theoretical Physics at Caltech and director of applied science at AWS, admits this problem. He says:

“So, we are trying new approaches to error correction that will reduce the overhead.”

The Oscillation Tech at the Foundation of Ocelot

Teamet använder en typ av qubit som bildas av supraledande kretsar gjorda av mikrovågs‑oscillatorer, där 1‑ och 0‑tillstånden – som representerar qubiten – definieras som två distinkta stora oscillationsamplituder. Detta tillvägagångssätt syftar till att göra qubit‑tillstånden stabila och motståndskraftiga mot bit‑flip‑fel.

När bit‑flip‑felen är åtgärdade återstår fas‑flip‑felet. För att upptäcka fasfel använder Ocelot‑chippen fyra hjälpar‑qubits.

Teamets enkla repetitionskod är effektiv för att fånga fas‑flip‑fel och förbättras när koden ökas från tre cat‑qubits till fem cat‑qubits.

The Path Forward for the Research

För närvarande är demonstrationen på ett proof‑of‑concept‑stadium. Men forskare som är involverade i processen, som Painter, är entusiastiska över den prestanda Ocelot har visat. Han säger:

“It’s a very hard problem to tackle, and we will need to continue to invest in basic research while staying connected to, and learning from, important work being done in academia.”

Som Painter antydde kräver dessa förbättringar företags‑patroner. Det krävs investeringar för att skala upp. I de följande avsnitten diskuterar vi ett par sådana företag som gör betydande arbete inom kvantdatorfältet.

1. IBM

IBM, den globalt vördade teknikjätten, är fortsatt engagerad i att göra kvantdatorer praktiska för världen. De driver en dedikerad division, IBM Quantum, som erbjuder tillgång till världens största kvantdatorflotta via Qiskit – en plattform som tillhandahåller mjukvaruverktyg och tjänster för att skapa en holistisk programmeringsmodell för nytta.

IBM:s QuantumSafe, till exempel, säkrar ett företag för den kvantframtiden genom att erbjuda sina 127‑qubits‑system gratis. Dessutom ger plattformen tillgång till system, dokumentation och lärresurser på ett och samma ställe.

Företaget är engagerat i att göra kvantdatorer ansvarsfulla. Företagets uppdrag i detta avseende är att vara ”the catalyst to make the world work better”, och de driver ett Responsible Quantum Initiative för att säkerställa att vår utveckling ligger i linje med detta uppdrag.

Enligt IBM är Responsible Quantum Computing kvantdatorer som är medvetna om sina effekter. Företaget har formulerat fem Responsible Quantum Principles för utveckling och implementering av kvantteknik som teamet följer internt. Dessa principer är följande:

• Skapa en positiv samhällspåverkan.
• Utforska användningsfall med förutseende.
• Marknadsföra IBMs produkter korrekt
• Fatta konsekventa, principbaserade beslut
• Bygga ett mångsidigt och inkluderande kvantgemenskap

Med stadig framsteg längs IBM Quantum™ Roadmap uppgraderar företaget sin kvantplattform för att leverera molntjänster på företagsnivå.

Mer specifikt uppgraderar företaget med infrastruktur på företagsnivå. För att förbli sömlös för sina äldre användare kommer företaget att säkerställa att den slutgiltiga versionen av den nya IBM Quantum Platform är mycket lik den version vi använder idag.

Företaget kommer att se till att användare fortsatt har tillgång till den dokumentation och de lärresurser som traditionellt har funnits på plattformen. Uppgraderingen kommer dock att öka värdet med förbättrad prestanda och kraftfulla funktioner.

Bland specifika funktioner kommer uppgraderingen med förbättrad datasekretess och säkerhet, en förenklad notifikationsupplevelse, bättre plattformsnavigering, flera språkval för användare som talar andra språk än engelska, etc.

För ökad offentlig tillgänglighet har IBM byggt ett Quantum Network. Nätverket stödjer företag, universitet, laboratorier och industriledare i deras resa mot att främja kvantnytta. Medlemmar får tillgång till lärresurser, experter och evenemang för att påskynda forskning och främja samarbete.

För det senaste räkenskapsåret, IBM registrerade en omsättning på 62,8 miljarder dollar, upp 1 procent, upp 3 procent i konstant valuta.

När han talade om resultaten sade Arvind Krishna, IBM:s ordförande, president och verkställande direktör:

“Three years ago, we laid out a vision for a faster-growing, more profitable IBM. I’m proud of the work the IBM team has done to meet or exceed our commitments. With our focused strategy, enhanced portfolio, and culture of innovation, we’re well-positioned for 2025 and beyond and expect revenue growth of at least five percent and free cash flow of about $13.5 billion this year.”

2. Microsoft

En annan ledande teknikjätte som gör banbrytande arbete inom kvantdatorfältet är Microsoft (MSFT ). Deras vision är att påskynda vetenskapliga upptäckter genom branschledande avancerad teknik som skulle accelerera vetenskapliga genombrott.

Microsoft har följande fyra kvantlösningar:

• Microsoft Quantum Compute Platform: En plattform som möjliggör en ny generation av kvantapplikationer.
• Azure Quantum Elements: En skräddarsydd lösning för att accelerera vetenskapliga upptäckter.
• Quantum Hardware: En lösning inriktad på att låsa upp en skalad kvantsuperdator.
• Quantum Networking: En lösning som möjliggör distribuerad kvantdator med ett kvantnätverk

Om vi betraktar dessa lösningar ur användarnas perspektiv erbjuder de olika tjänster. Till exempel, genom Microsoft Quantum Compute‑plattformen är det möjligt att få tillgång till toppmoderna kvantmaskiner, pålitliga logiska qubits, avancerade AI‑modeller och HPC‑simuleringar för att påskynda vetenskapliga upptäckter.

Azure Quantum Elements‑lösningen hjälper till att påskynda vetenskapliga upptäckter för kemi och materialvetenskap genom High‑Performance Computing, artificiell intelligens och en framtida kvantdator.

Genom Microsoft Quantum Hardware bygger företaget en kvantsuperdator som kommer att möjliggöra att världen tacklar problem som att vända klimatförändringarna och förbättra livsmedelssäkerheten.

Slutligen, genom Microsoft Quantum Networking strävar företaget efter att leverera kvantnätverkskapacitet för att skala kvantkluster och möjliggöra nya säkerhetsrelaterade applikationer.

Om vi går djupare in i Microsoft Quantum Hardware inser vi att det verkligen är ett genombrott. Det är ett genombrott eftersom det banar väg för measurement‑only kvantdatorer – ett fundamentalt enklare sätt att kontrollera kvantinformation.

Drivet av en Topological Core är Microsofts processor designad för att skala till en miljon qubits – tillräckligt med beräkningskraft för att tackla mänsklighetens tuffaste utmaningar inom energi, medicin och mer.

I detta avseende kan man titta på Microsofts artikel, publicerad i Nature, med titeln ‘Interferometric Single‑Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices.’

Sammanfattningsvis står Microsoft Quantum Hardware på följande grundpelare:

• Skalbarhet: Lösningen är designad för att möjliggöra användbar kvantdator
• Stabilitet: Den är motståndskraftig mot fel på hårdvarunivå
• Kompakthet: Hårdvaran kan rymma mer än en miljon qubits i ett enda chip
• Snabbhet: Den tar mindre än 1 mikrosekund per operation
• Kontrollerbarhet: Dess spänningspulser ger exakt digital kontroll

Om vi tittar på nyckelfunktionerna i Azure Quantum Elements, utnyttjar dess generativa kemi kraften i generativ AI för att kraftigt förenkla upptäckten och designen av nya molekyler med önskade egenskaper. Den accelererade DFT‑funktionen bestämmer molekylers egenskaper med tusentals atomer på några timmar, vilket ger en betydande hastighetsökning jämfört med andra DFT‑koder.

Dessutom hjälper det öppna ekosystemet till att använda välbekanta mjukvarulösningar som är optimerade för Azure Quantum Elements.

Microsofts Azure Quantum Elements har hjälpt flera forskningsinstitutioner och företag att leverera framtidslösningar. Till exempel har Unilever utnyttjat kraften i Microsofts superdatorer och AI‑tjänster för att stödja sin FoU‑transformation och produktinnovation.

Microsoft och Pacific Northwest National Laboratory gick samman för att identifiera ett nytt material som har potential att förbättra batterier. Företaget har samarbetat med AspenTech för att designa ett kvantkemi‑arbetsflöde. Det har gått ihop med Johnson Matthey för att påskynda innovation inom vätgasbränsleceller med Azure Quantum.

Microsoft och 1910 Genetics samarbetade för att turboöka FoU‑produktiviteten för läkemedelsindustrin, medan de samarbetade med InQuanto för att accelerera kvantberäkningskemi. Sammantaget har Microsoft spelat en nyckelroll i att demonstrera hur kvantdatorer kan bli effektivt användbara för en robust och effektiv framtid.

År 2024, året som markerade Microsofts 50‑årsjubileum som företag. Företaget levererade över 245 miljarder dollar i årlig omsättning, upp 16 procent år‑till‑år, och över 109 miljarder dollar i rörelseresultat, upp 24 procent. Företaget sade tydligt att de fokuserar på att inkubera tekniska produkter och stödlösningar med transformerande potential för framtidens molntjänster och fortsatt företagsväxt, såsom kvantdatorer och avancerad AI för vetenskap.

Medan stora teknikföretag gör sitt bästa, ligger institutionell forskning inte efter. Vi inledde vår diskussion med ett sådant banbrytande forskningsprojekt, och vi avslutar med ett par till.

Klicka här för att lära dig mer om den nuvarande statusen för kvantdatorer.

More On Quantum Computing Research

Google Quantum AI och samarbetspartners publicerade sin forskning i Nature i december 2024. Den hade titeln Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

Forskningen adresserade problemet med kvantfelkorrigering, en nyckelväg till praktiska kvantdatorer. Genom att kombinera flera fysiska qubits till en logisk qubit, undertrycker detta tillvägagångssätt exponentiellt den logiska felräntan när fler qubits läggs till.

Resultatet blev att forskarna presenterade två surface‑code‑minnen under tröskelvärdet på sin nyaste generation av supraledande processorer, Willow, en distance‑7‑kod och en distance‑5‑kod integrerad med en real‑time‑decoder.

Resultaten var betydande. Systemet bibehöll prestanda under tröskelvärdet vid real‑time‑avkodning, med en genomsnittlig avkodningslatens på 63 mikrosekunder vid avstånd fem upp till en miljon cykler, med en cykeltid på 1,1 mikrosekunder. Forskarna påstod att deras forskning indikerade att om den skaleras, kan enhetens prestanda uppfylla driftskraven för storskaliga fel‑toleranta kvantalgoritmer.

År 2022, med fortsatt fokus på felkorrigering, utforskade IBM‑forskare en kod kallad gross‑code, en ny typ av kod som kan lagra kvantinformation på ett fel‑fritt sätt med en bråkdel av hårdvaru‑overheaden. Detta kan leda till felkorrigering med avsevärt mindre overhead.

I en artikel publicerad i Nature undersökte IBM specifikt fel‑toleranta kvantminnen med låg qubit‑overhead, hög feltröskel och stor koddistans. Företaget påstod att deras matematiska analys fann konkreta exempel på qLDPC‑koder som uppfyllde alla villkor för att vara fel‑toleranta, ha ett kvantminne, samt ha hög feltröskel, stor koddistans och låg qubit‑overhead.

Företaget påstod att deras kod tillhörde en familj av koder kallade ”Bivariate Bicycle (BB)”-koder. De kommer att forma både IBMs framtida forskning och hur vi arkitekturerar fysiska kvantsystem.

Sammanlagt finns det gott om utrymme för att realisera stadig framsteg mot kvantfördelar. Globala offentliga investeringar i kvantteknik nådde 42 miljarder USD år 2023, med Kina i ledningen med ett tillkännagivet statligt investeringsbelopp på 15,3 miljarder USD.

Det följdes av Tyskland, Storbritannien, USA och Sydkorea, bland andra. Att teknologiskt avancerade ekonomier investerar mer i kvantdatorer och relaterad teknik är ett bevis på att dess potential är enorm. Det vi ser nu kan bara vara toppen av isberget.

Klicka här för en lista över de fem främsta kvantdatorföretagen.