Kvantchip-milstolpe väcker entusiasm för framtidens databehandling

En ny milstolpe inom kvantdatorer

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

Det gör det genom att utnyttja kvanteffekter, där beräkningen inte görs med 0 och 1 (binära bitar), utan med qubitar, där partikeldata antingen är 0 OCH 1 samtidigt, eller 1, eller 0. Dessa olika metoder innebär att för vissa matematiska problem kan kvantdatorer vara absurdalt mer effektiva än vanliga datorer.

Och detta är exakt vad Google just demonstrerade: de har presenterat en ny chip som tar fem minuter att lösa ett problem som för närvarande skulle ta världens snabbaste superdatorer tio septiljoner – eller 10:000:000:000:000:000:000 år – att slutföra.

Förutom denna anmärkningsvärda prestanda kan detta också vara den första kvantchip som har en rimlig chans att vara skalbar och pålitlig för användbara beräkningar. Resultaten publicerades i den ledande vetenskapliga tidskriften Nature, under titeln “Kvantfelkorrigering under ytkodströskeln”.

Möt Willow

The Google quantum computing chip in question is called Willow.

Källa: Google

Detta är den senaste versionen av en serie allt kraftfullare kvantchip utvecklade av Google, kallade Foxtail, Bristlecone och Sycamore.

Källa: Google

För att testa Willows prestanda användes random circuit sampling (RCS)-benchmarken för att jämföra den med en vanlig superdator. Denna teknik skapades för att mäta Sycamores prestanda, som utvärderar antalet qubitar som krävs för att matcha en motsvarande mängd med en klassisk dator.

Källa: Google

Skalbarhet äntligen inom räckhåll

En stor begränsning för kvantdatorer hittills är att qubitar är extremt ömtåliga. Detta beror på att kvanttillstånd tenderar att vara mycket kortlivade, med störningar från omgivningen som destabiliserar de förhållanden som krävs för kvantberäkning.

Detta är därför alla nuvarande kvantdatorer använder ultrakalla förhållanden och kräver supraledande material. Detta gör dem inte bara mer komplexa och dyra utan också mycket svåra att använda på ett pålitligt sätt.

“För att få en kvantdator att utföra användbara beräkningar, “behöver du kvantinformation, och du måste skydda den från miljön — och från oss själva, när vi manipulerar den.” Julian Kelly – fysiker på Google som leder kvant‑hårdvarudivisionen

För att förvärra problemet, hittills innebär fler qubitar i ett system högre fel, där varje instabilitet orsakar en dominoeffekt. Så fler qubitar betyder fler fel, ända tills att tillägg av mer beräkningskraft faktiskt minskar den totala prestandan.

Och kanske mer än dess beräkningsförmåga, är detta där Willow är ett verkligt genombrott.

Du kan också direkt se mer om den exakta prestandan för Willow i Googles dedikerade videopresentation:

Felkorrigering

Det grundläggande steget för Google har varit att arbeta med så kallad felkorrigering. Idén är att i en given kvantdator kommer vissa qubitar att vara mer pålitliga än andra.

Så kan de avvikande/underpresterande qubitarna omkonfigureras för att fungera som resten av chipet.

Källa: Google

Ytterligare förbättring kan uppnås genom att förbättra kalibreringsmetoden så att fel minimeras via mjukvaruförbättringar på alla qubitar.

Tröskel för kvantfelkorrigering

Denna tröskel är ett mycket länge eftertraktat mål för kvantdatavetare. Här är felräntan tillräckligt låg att ju fler qubitar du lägger till, desto mindre fel får du. Detta var länge teoretiserat men uppnåddes först med Willow.

Vi testade allt större matriser av fysiska qubitar, från ett rutnät på 3×3 kodade qubitar, till ett rutnät på 5×5, till ett rutnät på 7×7 — och varje gång, med våra senaste framsteg inom kvantfelkorrigering, lyckades vi halvera felräntan.

Google Quantum Computing Department

Källa: Google

I princip, istället för att staplas på varandra tills kollaps, är felen nu så sällsynta att de kan korrigeras med extra beräkningskraft, vilket ökar hela systemets pålitlighet.

En nyckelfaktor för Google att uppnå detta genombrott var en radikal förbättring av en specifik qubitprestanda kallad ”qubit coherence time”. Detta är den tid då qubiten kan behålla sitt koherenstillstånd, ett förutsättningskrav för att utföra kvantberäkningar.

Willow uppnådde ett koherenstillstånd på 100 mikrosekunder, upp från endast 20 mikrosekunder för 2019 års Sycamore.

Detta är en viktig datapunkt, eftersom förbättringen i koherenstillstånd, som direkt leder till exponentiellt mer pålitliga kvantdatorer, kan ses som den nuvarande kvantversionen av Moores lag, som har drivit den ständiga förbättringen av ”vanliga” datorer.

Som det första systemet under denna tröskel är detta den mest övertygande prototypen för en skalbar logisk qubit som byggts hittills. Det är ett starkt tecken på att användbara, mycket stora kvantdatorer faktiskt kan byggas. Willow för oss närmare att köra praktiska, kommersiellt relevanta algoritmer som inte kan reproduceras på konventionella datorer.

Google Quantum Computing Department

Allt detta var möjligt tack vare Googles långsiktiga investering i sin tillverkningsanläggning för supraledande kvantchip.

Från fysisk till logisk qubit

För alla användbara beräkningar måste kvantdatorer använda logiska qubitar, den faktiska beräkningsenheten som produceras av det fysiska chipet.

Med Willows felränta förväntas varje logisk qubit bestå av omkring 1 000 fysiska qubitar. Ytterligare förbättringar i felkorrigering kan till och med minska detta till 200 fysiska qubitar.

För närvarande har Willow en kapacitet på 105 qubitar.

Nästa steg

Med detta genombrott är perspektivet att bygga en stabil, pålitlig och skalbar logisk qubit nu inom räckhåll. Speciellt eftersom tillägg av fysiska qubitar nu minskar felräntan exponentiellt, istället för att öka den exponentiellt.

Troligen blir nästa steg att bygga en efterträdare till Willow med ännu fler qubitar, samtidigt som felkorrigeringstekniken förbättras. Tillsammans kan detta göra att varje av Googles nästa kvantchipdesign blir tillräcklig för att skapa en fullständig logisk qubit.

Detta lämnar fortfarande en annan utmaning, nämligen att nätverka de logiska qubitarna så att de kan dela och utbyta kvanttillstånd.

Endast då kan vi tala om en sann kvantdator som kan användas rutinmässigt och, ännu viktigare, skalas upp efter behov.

Vi har tidigare diskuterat några av de teknologier och parallella genombrott som kan öka kvantdatorns prestanda och arkitektur bortom förbättring av qubitar, till exempel:

• Nanomekaniska resonatorer, för att bättre mäta kvanttillstånd utan att destabilisera qubitarna.
• Superledande icke‑linjär asymmetrisk induktiv element (SNAIL)-resonator, för att gå bortom qubitar som superponera 0‑ och 1‑tillstånd, och utveckla kontinuerlig‑variabel (CV) kvantdatorer.
• Bättre supraledande material, för att förbättra stabiliteten i kvantdatorsystem.

Sammanfattningsvis är Googles genombrott verkligen banbrytande och en radikal utveckling av kvantdatorns framtidsutsikter, med det första någonsin realistiska målet för en skalbar kommersiell dator.

Men även företagets ledare för Googles Quantum AI‑lab, Hartmut Neven, påminner oss om att detta inte sker imorgon:

“Ett chip som kan utföra kommersiella tillämpningar skulle inte dyka upp förrän i slutet av årtiondet. Inledningsvis skulle dessa tillämpningar vara simulering av system där kvanteffekter är viktiga.

Till exempel är det relevant när det gäller design av kärnfusionsreaktorer för att förstå funktionen av läkemedel och farmaceutisk utveckling, det skulle vara relevant för att utveckla bättre bilbatterier och en lång lista av sådana uppgifter.”

Tillämpningar

Kvantberäkningens potential är enorm och kan revolutionera praktiskt taget alla vetenskapliga områden. Några tillämpningar sticker ut som särskilt betydelsefulla:

• Biokemisk modellering: från att bestämma ett proteins 3D‑form till genuttryck, beräkning av komplexa biologiska molekyler ner till atomer kan revolutionera bioteknologisk forskning.
• Klimatmodellering: Klimatmodeller är extraordinärt komplexa och sträcker sig till gränserna för vad nuvarande superdatorer kan göra. En bättre förståelse av klimatet, med en finare beräkningsskala i modellen, både geografiskt och tidsmässigt, kan hjälpa till att förstå riskerna med klimatförändringar.
• Halvledare: Kvantdatorer kan användas för att göra vanliga datorkretsar mycket kraftfullare. Med ”vanliga” chip som nu når nanometerskalan blir kvanteffekter alltmer problematiska, och kvantdatorer kan behövas för att lösa dem.
• Materialvetenskap: Att förstå kvantfysik bättre och materialens reaktion ner till enskilda atomer kan öppna nya designmöjligheter för material som används inom rymdteknik, batterier, 3D‑utskrift, tillverkning osv.
• Kryptografi: Kvantdatorer kan potentiellt göra alla nuvarande kryptografimetoder föråldrade. Detta är en allvarlig oro för militära, finansiella och IT‑system. Men samtidigt kan det göra kryptografi ännu säkrare.

Risker

Eftersom kvantdatorer är så kraftfulla finns det också en allvarlig risk för missbruk. Den största är riskerna kring kryptografi.

Sedan Googles tillkännagivande om Willow har flera kommentatorer diskuterat hur möjligheten att bryta all befintlig kryptografi skulle vara förödande för kryptovalutor som Bitcoin.

Och i teorin är detta sant. Men det är en ganska kortsiktig kommentar, mer driven av en reaktion på Bitcoins senaste uppgång än av en helhetssyn. Att bryta kryptografin för datorer och digitala system skulle lika mycket bryta säkerheten och pålitligheten i hela bank- och finanssystemet, inte bara kryptomynt.

Det skulle också vara förödande för global geopolitisk stabilitet och militär säkerhet, eftersom allt från kommunikation till kärnvapenlanseringskoder förlitar sig på säker kryptering. En fullständigt bruten kryptering skulle kunna låta främmande makter eller illvilliga aktörer kasta sådana säkerhetsapparater i total oreda.

Det betyder inte att det inte finns några lösningar. Till exempel meddelade Apple (AAPL ) i februari 2024 att krypteringen som skyddar iMessage‑chattar görs ”kvant‑säker” för att hindra dem från att läsas av kraftfulla framtida kvantdatorer. Vi kan anta att om Apple övergår till kvantsäker kryptering, så kan även de största militära styrkorna och finansiella institutionerna göra det.

Kombinerat med en tidslinje på flera år för att även en ledare som Google ska ha en kommersiell kvantdator, är vi långt ifrån en katastrofal, omedelbar risk.

Företag inom kvantdatorer

Som du såg är Google mycket aktivt inom kvantdatorer, främst genom sitt Google Quantum AI‑lab och Quantum AI‑campus i Santa Barbara.

Googles kvantdator skrev historia 2019 när Google påstod sig ha uppnått ”kvantsuveränitet” med sin Sycamore‑maskin, som utförde en beräkning på 200 sekunder som en konventionell superdator skulle ha behövt 10 000 år för.

Detta är naturligtvis nu förminskat av Willows prestanda.

Men kanske blir Googles största bidrag inom mjukvara, en aktivitet där de har en imponerande meritlista, faktiskt bättre än i hårdvara (sök, G Suite, Android osv.).

Redan nu gör Googles Quantum AI en svit av mjukvara tillgänglig som är utformad för att hjälpa forskare att utveckla kvantalgoritmer.

forskare, ingenjörer och utvecklare att ansluta sig till oss på denna resa genom att titta på vår öppna källkodsmjukvara och utbildningsresurser, inklusive vår nya kurs på Coursera, där utvecklare kan lära sig grunderna i kvantfelkorrigering och hjälpa oss skapa algoritmer som kan lösa framtidens problem.

Tack vare detta öppna tillvägagångssätt och nu även ledande inom hårdvara, samt sina molnlösningar, kan Google sannolikt bli ett av de företag som sätter standarderna för kvantdatorprogramvara och kvantprogrammering, vilket ger en privilegierad position att styra var fältet kommer att utvecklas i framtiden.

Och samtidigt kan AI‑lösningar, inklusive Waymos självkörande bil, bli den nya intäktsdrivaren för Alphabet (GOOG ), som fortfarande har en massivt dominerande position inom sök‑ och annonsindustrin.