IBM:s Heron och Condor: framstegen inom kvantberäkning 2023

IBM presenterade i december 2023 två nya steg mot praktisk kvantberäkning: Condor med över 1 000 fysiska kvantbitar och Heron med fokus på att minska fel. Artikeln behandlar dessa tillkännagivanden och förväntningarna vid den tidpunkten.

Kvantdatorer använder kvantbitar, även kallade qubits, som kan befinna sig i superposition och vara sammanflätade. En superposition av 0 och 1 innebär inte att en mätning ger alla möjliga svar samtidigt. Lämpliga kvantalgoritmer kan ge fördelar för vissa beräkningar. Tekniken kompletterar klassiska datorer och gör inte automatiskt alla uppgifter snabbare. Molekylsimulering och vissa optimeringsproblem är viktiga forskningsområden.

Intresset bygger på möjligheten att utföra vissa beräkningar betydligt effektivare. Sådana framsteg kan få stor betydelse för vetenskap och industri, men nyttan beror på uppgiften och den praktiska implementationen.

IBM:s Heron och Condor

IBM presenterade Heron och Condor vid sin Quantum Summit i december 2023.

Heron, som används i systemet ibm_torino, har 133 kvantbitar med fasta frekvenser och justerbara kopplare. IBM rapporterade tre till fem gånger bättre enhetsprestanda än för den tidigare Eagle-processorn med 127 kvantbitar; det är inte en generell hastighetsökning för alla program. Konstruktionen undertrycker nästan helt överhörning, det vill säga oönskad påverkan mellan kvantbitar. IBM tog också Quantum System Two med tre Heron-processorer i drift. Den modulära plattformen kombinerar kvantprocessorer och klassisk styrning; flera processorer blir därmed inte automatiskt en enda feltolerant kvantdator.

Condor har 1 121 supraledande fysiska kvantbitar. IBM uppgav 50 procent högre kvantbitstäthet, förbättrad tillverkning och mer än en engelsk mil, cirka 1,6 kilometer, tät kryogen kabeldragning i en enda spädningskylare. Det betyder inte en svensk mil. Kylaren skapar temperaturer mycket nära den absoluta nollpunkten. Prestandan var jämförbar med den tidigare Osprey-processorn med 433 kvantbitar. Condor gav därmed erfarenhet av skalning och framtida hårdvarukonstruktion, snarare än ett bevis på att fler kvantbitar alltid ger bättre beräkningsresultat.

Dessa utvecklingar från IBM är avgörande för att driva gränserna för kvantnytta framåt och för att gå mot kvantcentrerad superdatoranvändning.

Tillämpningar och begränsningar

Kvantberäkning kan öppna nya vetenskapliga möjligheter. Följande exempel var forskningsinriktningar och förväntningar 2023; praktisk nytta måste visas för varje tillämpning.

Medicin: Kvantmekaniska molekylsimuleringar kan stödja forskning om läkemedelskandidater. De visar däremot inte ensamma hur ett läkemedel fungerar i människokroppen eller att utvecklingen blir snabbare och billigare.

Meteorologi: Forskare undersöker om kvantalgoritmer kan förbättra delar av bearbetningen av väder- och klimatdata. Möjliga områden är väderprognoser och forskning om klimatförändringar. Detta innebar ännu inte ett allmänt demonstrerat praktiskt försprång i operativ väderprognostik.

Komplex problemlösning: Kvantalgoritmer studeras för vissa svåra beräknings- och optimeringsuppgifter, bland annat inom logistik och leveranskedjor. Fördelarna beror på problem, algoritm och hårdvara; alla klassiskt svåra problem blir inte lösbara. Transport, energi och finans är möjliga tillämpningsområden.

Det är också viktigt att inse att vi inte kan veta det vi inte kan föreställa oss. Det betyder att det kommer att finnas ett stort antal oväntade framsteg som blir möjliga genom de förmågor som teknologin en dag kan erbjuda.

Kvantberäkning kan öppna nya möjligheter för vetenskapliga upptäckter och teknisk utveckling. Detta beskriver framtidsförväntningar i branschen och är inte ett verifierat ordagrant citat av IBM:s vd Arvind Krishna.

Tekniken möter betydande hinder inom felkorrigering, skalbarhet och utveckling av praktiska algoritmer. Nya svårigheter kan också uppstå när förståelsen och hårdvaran utvecklas. Kvantmekanikens komplexitet kräver noggranna förklaringar och experimentell prövning.

Kvantmekanik är svår att förstå intuitivt; slutsatser behöver därför grundas på beräkningar och experiment. Detta är en förklaring. Den ursprungliga ordalydelsen tillskrevs Richard Feynman utan en verifierbar primärkälla.

År 2023 begränsade felkorrigering, skalbarhet och användbara algoritmer fortfarande ett brett praktiskt bruk. Optimistiska bedömningar talade om ungefär ett årtionde, men det var en prognos och ingen fastställd tidsplan.

Utbildning: den framtida arbetskraften inom kvantdatorer

Kvantberäkning framstod länge som avlägsen och specialiserade kurser var ovanliga. I takt med utvecklingen växer behovet av nya forskare och ingenjörer. Många universitet erbjuder därför kurser och utbildningar för framtidens specialister.

• Institute for Quantum Computing vid University of Waterloo kombinerar akademisk forskning med utveckling av tillämpningar. Institutet grundades 2002 med stöd från bland andra Mike och Ophelia Lazaridis, offentliga finansiärer och universitetet. Originalartikelns cirka 296 forskare och över 1 500 publikationer är historiska uppgifter, inte aktuella personal- eller publikationsantal.
• Oxfords universitet har länge bidragit till kvantforskningen, bland annat med tidiga demonstrationer av kvantalgoritmer genom kärnmagnetisk resonans, NMR. Där användes bland annat pseudorena tillstånd; det var inte en generell, skalbar kvantdator i ett rent tillstånd.
• Harvard Quantum Initiative vid Harvard University fokuserar på att främja vetenskapen och ingenjörskonsten bakom kvantdatorer och deras tillämpningar, och förbereder för det som de kallar den “andra kvantrevolutionen”.
• MIT:s Center for Theoretical Physics fördjupar sig i kvantinformation och kvantdatorer, utforskar kvantalgoritmer, kvantinformationsteori och den experimentella realiseringen av kvantdatorer.
• Centre for Quantum Technologies, som 2023 var baserat vid National University of Singapore, och Berkeley Center for Quantum Information and Computation vid University of California, Berkeley är också pionjärer inom utbildning i kvantdatorer, med fokus på forskning och utveckling av kvantenheter.
• Joint Quantum Institute vid University of Maryland är ett samarbete mellan universitetet, NIST och LPS och bedriver forskning om att kontrollera och utnyttja kvantsystem.

Branschaktörer som driver kvantdatorutvecklingen

Följande företag hörde till utvecklarna på området 2023. Tabellernas statiska börsuppgifter är historiska ögonblicksbilder från originalartikeln, med belopp i amerikanska dollar där det är tillämpligt. De interaktiva kursmodulerna kan visa senare uppgifter.

1.  International Business Machines Corporation

IBM Prisdiagram

IBM har länge utvecklat kvantdatorer och vill underlätta programmeringen med bland annat Qiskit Patterns. Företagets färdplan betonade modulära arkitekturer och sammankoppling av system, med stora kvantsystem och praktiska tillämpningar som mål. Hundratusentals kvantbitar var ett framtida mål, inte färdig hårdvara 2023.

2.  Microsoft Corporation

MSFT Prisdiagram

Microsoft fokuserade 2023 på molnintegration och samarbete. Företaget nämnde IonQ, Pasqal, Quantinuum, Quantum Circuits Inc. (QCI) och Rigetti som partner och beskrev erbjudandet med sin egen jämförelse av kvantvolymer. Detta var inte en universell prestandajämförelse mellan alla sorters kvantdatorer. Azure Quantum skulle stödja experiment och vidare skalning. Microsoft (MSFT ) betonade ett globalt ekosystem och planerade att i framtiden erbjuda sin egen kvantmaskin som molntjänst via Azure.

3.  Alphabet Inc.

GOOGL Prisdiagram

Alphabet (GOOG ) gjorde framsteg genom Google Quantum AI. En studie i Nature 2023 visade en måttlig minskning av den logiska felsannolikheten när ett ytkodsexperiment skalades upp: cirka 2,914 procent per felkorrigeringscykel för kodavstånd 5 jämfört med 3,028 procent för kodavstånd 3. Det var ett viktigt steg, inte en helt felfri dator. År 2019 rapporterade Google att Sycamore utfört en särskild uppgift med sampling av slumpmässiga kvantkretsar på cirka 200 sekunder. Google uppskattade tiden för en klassisk superdator till 10 000 år; IBM ifrågasatte detta och föreslog en klassisk metod på cirka 2,5 dagar. Jämförelsen gällde just detta test, inte alla komplexa beräkningsproblem.

Slutsats

Kvantdatorer representerar ett banbrytande språng i datavärlden och erbjuder potential att revolutionera en mängd olika områden. Medan IBMs senaste framsteg med Heron- och Condor‑kvantprocessorerna markerar betydande framsteg mot praktisk kvantdator, fortsätter teknologin att möta stora utmaningar inom felkorrigering, skalbarhet och algoritmutveckling – vilket understryker behovet av fortsatt forskning och innovation.

Även om dessa utmaningar kvarstår, har kvantdatorer löftet att låsa upp möjligheter som vi inte ens kan föreställa oss idag, och inleda en ny era av vetenskaplig upptäckt och teknologisk utveckling. Dess fulla potential utvecklas fortfarande, och dess påverkan på olika industrier och samhället lovar att bli djupgående.