Ang “Ocelot” ng Caltech ay Naging Pinakabagong Pagsulong sa Pag-alis ng Error sa Quantum Computing

Noong nakaraang taon, inilathala ng McKinsey & Company isang komprehensibong ulat na naglalarawan ng hinaharap na landas ng quantum computing. Ang ulat ay ambisyosong pinangalanang ‘The Rise of Quantum Computing.’ Gayunpaman, hindi walang basehan ang mga ambisyon.

Ayon sa McKinsey, ang paglalakbay patungo sa Quantum Computing ay pinapalakas ng pabilisin na takbo ng mga teknolohikal na breakthrough, pagtaas ng daloy ng pamumuhunan, at pagdami ng ecosystem ng mga startup.

Ang lahat ng mga salik na ito ay nag-udyok sa mga lider ng negosyo na magplano ng matibay na estratehiya sa quantum computing. Ang pinakabagong pagsusuri ng McKinsey para sa ikatlong taunang Quantum Technology Monitor ay nagbubunyag na apat na sektor—kemikal, life sciences, pananalapi, at mobilidad—ang malamang na unang makaranas ng epekto ng quantum computing at maaaring kumita ng hanggang $2 trilyon pagsapit ng 2035.

Para lumago ang Quantum Computing ayon sa pananaw ng McKinsey, kinakailangan nito ng masiglang ecosystem ng inobasyon. Sa isa sa mga pinaka-advanced na breakthrough sa aspetong ito, natuklasan ng mga siyentipiko sa AWS Center for Quantum Computing on Caltech’s campus¹ ay nakahanap ng paraan upang supilin ang mga error sa quantum computers—isang problema na maaaring maging pinakamalaking balakid sa pagbuo ng mga quantum machine na handa para sa hinaharap. 

Ano ang ‘Problema’?

Ang paggawa ng isang pangkalahatang layunin na quantum computer na lampas sa pag-aaral ng mga tiyak na larangan ng pisika ay nananatiling hamon dahil sa likas nitong pagiging sensitibo sa ingay. Natuklasan ng mga mananaliksik na ang mga pagyanig, init, electromagnetic interference mula sa mga cell phone at Wi‑Fi network, at kahit na mga cosmic ray at radiation mula sa kalawakan ay maaaring magpabagsak sa mga qubit—ang mga quantum bit—na ilalayo ito mula sa kanilang quantum state at magdulot ng mas maraming error kumpara sa mga klasikong computer.

Upang mas detalyadong ilahad nang mas siyentipikong eksakto, ang pananaliksik na pinamagatang Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits ay naglalayong bumuo ng mga quantum computer na magsasama ng quantum error correction. Magkakaroon ito ng isang logical qubit na paulit-ulit na naka-encode sa maraming maingay na physical qubits.

Ocelot: Ang Solusyon

Sa mas simpleng salita, ipinakita ng pangkat ng mga siyentipiko mula sa AWS at Caltech ang isang bagong arkitektura ng quantum chip para supilin ang mga error gamit ang isang uri ng qubit na kilala bilang cat qubit.

Ang mga Cat Qubit ay hindi bago, bagaman; unang iminungkahi ito noong 2001. Mula noon, patuloy na binuo at pinino ng mga mananaliksik ang mga ito. Ang breakthrough para sa pangkat ay nagmula sa paglikha ng unang scalable na cat qubit chip, na dinisenyo upang epektibong bawasan ang mga quantum error. Ang chip ay pinangalanang Ocelot mula sa batik-batik na ligaw na pusa habang tumutukoy din sa panloob na teknolohiyang “oscillator” na sumusuporta sa mga cat qubit.

Ayon sa mga mananaliksik, kailangang maging isang bilyong beses na mas mababa ang error rate kaysa sa kasalukuyan. Sa ganitong paraan lamang maaaring tawagin na matagumpay ang mga quantum computer. Ang bagong imbensyon ay makakatulong sa atin na maabot ang target nang mas mabilis:

“Bumababa ang mga error rate ng halos dalawang beses tuwing dalawang taon. Sa bilis na ito, aabutin kami ng 70 taon upang maabot ang kinakailangang antas. Sa halip, nagde-develop kami ng bagong arkitektura ng chip na maaaring makapagdala sa atin doon nang mas mabilis. Gayunpaman, ito ay isang maagang building block. Marami pa kaming kailangang gawin.”

Ang mga mananaliksik, habang binibigyang-diin ang mga kahinaan ng kasalukuyang teknolohiya ng qubit, ay nagsasabi na maaaring kailanganin nila ng libu-libong karagdagang qubit upang magbigay ng nais na antas ng proteksyon laban sa mga error, na katulad ng mga pahayagan na nagtatayo ng napakalaking grupo ng fact-checkers upang beripikahin ang katumpakan ng kanilang mga artikulo sa halip na isang maliit na koponan. Nagdudulot ito ng pagguho ng proseso dahil sa napakalaking gastos sa overhead, na labis at hindi praktikal.

Inamin ni Fernando Brandão, Bren Professor of Theoretical Physics sa Caltech at direktor ng applied science sa AWS, ang problemang ito. Sabi niya:

“Kaya, sinusubukan naming mga bagong pamamaraan sa error correction na magbabawas ng overhead.”

Ang Oscillation Tech sa Pundasyon ng Ocelot

Gumagamit ang pangkat ng isang uri ng qubit na binuo mula sa superconducting circuits na gawa sa microwave oscillators, kung saan ang mga estado 1 at 0—na kumakatawan sa qubit—ay tinukoy bilang dalawang magkaibang malalaking amplitude ng osilasyon. Ang pamamaraang ito ay naglalayong gawing matatag ang mga estado ng qubit at hindi maapektuhan ng mga bit-flip error.

Kapag naayos na ang mga bit-flip error, ang natitirang error na kailangang itama ay ang phase-flip error. Upang matukoy ang mga phase error, naglalagay ang Ocelot chip ng apat na ancillary qubits.

Ang simpleng repetition code ng pangkat ay epektibo sa pagkuha ng mga phase flip error at bumubuti habang tumataas ang code mula sa tatlong cat qubits patungong limang cat qubits.

Ang Landas Pasulong para sa Pananaliksik

Sa kasalukuyan, ang demonstrasyon ay nasa yugto ng proof-of-concept. Ngunit, ang mga mananaliksik na kasali sa proseso, tulad ni Painter, ay nasasabik sa performance na ipinakita ng Ocelot. Sabi niya:

“Napakahirap na problemang harapin ito, at kailangan naming patuloy na mamuhunan sa pangunahing pananaliksik habang nananatiling konektado at natututo mula sa mahahalagang gawaing isinasagawa sa akademya.”

Tulad ng binanggit ni Painter, ang mga pagpapabuting ito ay nangangailangan ng mga korporatibong tagasuporta. Kailangan nito ng pamumuhunan upang mapalawak. Sa mga susunod na bahagi, tatalakayin namin ang ilang kumpanya na gumagawa ng makabuluhang trabaho sa larangan ng Quantum Computing.

1. IBM (IBM )

Ang IBM, ang globally revered na higanteng teknolohiya, ay patuloy na nakatuon sa pagpapa-praktikal ng quantum computing sa buong mundo. Mayroon itong dedikadong dibisyon, ang IBM Quantum, na nag-aalok ng access sa pinakamalaking quantum computing fleet sa mundo sa pamamagitan ng Qiskit—isang platform na nagbibigay ng mga software tool at serbisyo upang lumikha ng isang holistic na programming model para sa utility.

Halimbawa, ang QuantumSafe ng IBM ay nagtitiyak ng isang enterprise para sa quantum na hinaharap, na nag-aalok ng mga 127-qubit system nang libre. Dagdag pa, ang platform ay nagbibigay ng access sa mga system, dokumentasyon, at mga mapagkukunan sa pag-aaral lahat sa iisang lugar.

Ang kumpanya ay nakatuon sa paggawa ng responsableng quantum computing. Ang misyon ng kumpanya sa aspetong ito ay maging “the catalyst to make the world work better,” at nagpapatakbo ito ng Responsible Quantum Initiative upang matiyak na ang aming pag-unlad ay alinsunod sa misyon na iyon.

Ayon sa IBM, ang Responsible Quantum Computing ay quantum computing na may kamalayan sa mga epekto nito. Ang kumpanya ay bumuo ng limang Responsible Quantum Principles para sa pag-develop at pag-deploy ng quantum technology na sinusunod ng koponan internally. Ang mga prinsipyo ay ang mga sumusunod:

• Magkaroon ng positibong epekto sa lipunan.
• Mag-explore ng mga use case nang may foresight.
• Itaguyod nang tama ang mga produkto ng IBM
• Gumawa ng pare-pareho, prinsipyong desisyon
• Bumuo ng isang diverse at inclusive na quantum community

Sa patuloy na pag-unlad alinsunod sa IBM Quantum™ Roadmap, ang kumpanya ay nag-a-upgrade ng kanilang quantum platform upang maghatid ng enterprise-grade na cloud services.

Mas partikular, ang kumpanya ay nag-a-upgrade gamit ang enterprise-grade na imprastruktura. Gayunpaman, upang manatiling seamless para sa mga legacy user, titiyakin ng kumpanya na ang huling bersyon ng bagong IBM Quantum Platform ay halos katulad ng bersyon na ginagamit natin ngayon.

Titiyakin ng kumpanya na patuloy na may access ang mga user sa dokumentasyon at mga mapagkukunan sa pag-aaral na tradisyonal nitong inaalok. Gayunpaman, ang upgrade ay magpapahusay ng halaga sa pamamagitan ng pinahusay na performance at makapangyarihang mga tampok.

Kabilang sa mga tiyak na tampok, ang upgrade ay magdadala ng pinahusay na data privacy at seguridad, isang pinasimpleng karanasan sa notifications, mas mahusay na pag-navigate sa platform, maraming opsyon sa wika para sa mga user na nagsasalita ng ibang wika bukod sa Ingles, atbp.

Para sa mas mataas na antas ng pampublikong accessibility, nagtatag ang IBM ng Quantum Network. Sinusuportahan ng network ang mga negosyo, unibersidad, laboratoryo, at mga lider ng industriya sa kanilang paglalakbay patungo sa pagpapalawak ng quantum utility. Ang mga miyembro ay nakakakuha ng access sa mga mapagkukunan sa pag-aaral, mga eksperto, at mga kaganapan upang pabilisin ang pananaliksik at pasiglahin ang kolaborasyon.

Para sa pinakabagong taon ng pananalapi, nagrehistro ang IBM ng kita na $62.8 bilyon, tumaas ng 1 porsyento, tumaas ng 3 porsyento sa constant currency.

“Tatlong taon na ang nakalipas, inilatag namin ang isang bisyon para sa mas mabilis na paglago, mas kumikitang IBM. Ipinagmamalaki ko ang trabaho ng IBM team na nagawa upang matugunan o lampasan ang aming mga pangako. Sa aming nakatutok na estratehiya, pinahusay na portfolio, at kultura ng inobasyon, kami ay mahusay na nakaposisyon para sa 2025 at sa hinaharap at inaasahan ang paglago ng kita ng hindi bababa sa limang porsyento at libreng cash flow na humigit-kumulang $13.5 bilyon ngayong taon.”

2. Microsoft (MSFT )

Isa pang nangungunang higanteng teknolohiya na gumagawa ng pioneering na trabaho sa larangan ng quantum computing ay ang Microsoft. Ang kanilang bisyon ay pabilisin ang scientific discovery sa pamamagitan ng industry-leading na advanced technology na magpapabilis ng scientific discovery.

Mayroong ang Microsoft ang apat na quantum solution na ito:

• Microsoft Quantum Compute Platform: Isang platform na nagpapahintulot sa bagong henerasyon ng quantum applications.
• Azure Quantum Elements: Isang purpose-built na solusyon upang pabilisin ang scientific discovery.
• Quantum Hardware: Solusyong nakatuon sa pagbubukas ng isang scaled na quantum supercomputer.
• Quantum Networking: Isang solusyon na nagpapahintulot ng distributed quantum computing gamit ang quantum network

Kung titingnan natin ang mga solusyong ito mula sa perspektibo ng kanilang mga gumagamit, iba’t ibang solusyon ang nagbibigay ng iba’t ibang serbisyo. Halimbawa, sa pamamagitan ng Microsoft Quantum Compute platform, posible ang pagkuha ng access sa state-of-the-art na quantum hardware, maaasahang logical qubits, advanced AI models, at HPC simulations upang pabilisin ang scientific discoveries.

Ang solusyon ng Azure Quantum Elements ay tumutulong na pabilisin ang scientific discovery para sa kimika at materyales na agham sa pamamagitan ng High-Performance Computing, Artificial Intelligence, at isang hinaharap na quantum computer.

Sa pamamagitan ng Microsoft Quantum Hardware, ang kumpanya ay nag-e-engineer ng isang quantum supercomputer na magpapahintulot sa mundo na harapin ang mga problema tulad ng pagbaliktad ng climate change at pagpapabuti ng seguridad sa pagkain.

Sa huli, sa pamamagitan ng Microsoft Quantum Networking, layunin ng kumpanya na maghatid ng quantum networking capabilities upang i-scale ang mga quantum cluster at magbigay ng mga bagong aplikasyon na may kaugnayan sa seguridad.

Kung susuriin natin nang mas malalim ang Microsoft Quantum Hardware, mapagtatanto natin na ito ay talagang isang breakthrough. Ito ay breakthrough dahil pinangunahan nito ang measurement-only quantum computing—isang mas simpleng paraan upang kontrolin ang quantum information.

Pinapagana ng isang Topological Core, ang processor ng Microsoft ay dinisenyo upang umabot sa isang milyong qubits—sapat na computing power upang harapin ang pinakamahihirap na hamon ng sangkatauhan sa enerhiya, medisina, at higit pa.

Sa aspetong ito, maaaring tingnan ang papel ng Microsoft, na inilathala sa Nature, na pinamagatang ‘Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices.’

Sa pangkalahatan, ang Microsoft Quantum Hardware ay nakatayo sa mga sumusunod na pundasyong haligi:

• Scalability: Ang solusyon ay dinisenyo upang magbigay ng kapaki-pakinabang na quantum computing
• Stability: Ito ay resistent sa mga error sa antas ng hardware.
• Small: Ang hardware ay kayang maglaman ng higit sa isang milyong qubits sa isang solong chip.
• Fast: Kumuha ito ng mas mababa sa 1 microsecond bawat operasyon.
• Controllable: Ang mga voltage pulse nito ay nagbibigay ng tumpak na digital control.

Kung titingnan natin ang mga pangunahing tampok ng Azure Quantum Elements, ang generative chemistry nito ay gumagamit ng kapangyarihan ng generative AI upang lubos na pasimplehin ang pagtuklas at disenyo ng mga bagong molekula na may nais na katangian. Ang accelerated DFT feature ay tumutukoy sa mga katangian ng mga molekula na may libu-libong atom sa loob ng ilang oras, na nagbibigay ng malaking pagtaas sa bilis kumpara sa ibang DFT code.

Bukod pa rito, ang open ecosystem ay tumutulong na magamit ang mga pamilyar na solusyon sa software na na-optimize para sa Azure Quantum Elements.

Ang Azure Quantum Elements ng Microsoft ay nakatulong sa ilang institusyon sa pananaliksik at mga kumpanya na maghatid ng mga solusyon para sa hinaharap. Halimbawa, ginamit ng Unilever ang kapangyarihan ng Microsoft supercomputing at AI services upang suportahan ang kanilang R&D transformation at product innovation.

Ang Microsoft at Pacific Northwest National Laboratory ay nagsanib-puwersa upang tuklasin ang isang bagong materyal na may potensyal para sa mas magagandang baterya. Nakipagtulungan ang kumpanya sa AspenTech upang magdisenyo ng quantum chemistry workflow. Nakipagtulungan din ito sa Johnson Matthey upang pabilisin ang inobasyon ng hydrogen fuel cell gamit ang Azure Quantum.

Ang Microsoft at 1910 Genetics ay nag-partner upang pasiglahin ang produktibidad ng R&D para sa industriya ng pharmaceutical, habang nakipag-partner ito sa InQuanto upang pabilisin ang quantum computational chemistry. Sa kabuuan, ang Microsoft ay gumanap ng mahalagang papel sa pagpapakita kung paano maaaring maging epektibong kapaki-pakinabang ang Quantum Computing para sa isang matatag at epektibong hinaharap.

Noong 2024, ang taon na nagmarka ng ika-50 anibersaryo ng Microsoft bilang kumpanya. Nagdulot ang kumpanya ng higit sa $245 bilyon na taunang kita, tumaas ng 16 porsento taon-taon, at higit sa $109 bilyon na operating income, tumaas ng 24 porsento. Malinaw na sinabi ng kumpanya na nakatuon ito sa pag-incubate ng mga teknikal na produkto at support solutions na may transformative na potensyal para sa hinaharap ng cloud computing at patuloy na paglago ng kumpanya, tulad ng quantum computing at advanced AI para sa agham.

Habang ginagawa ng malalaking kumpanya ng teknolohiya ang kanilang makakaya, hindi naman nahuhuli ang pananaliksik ng mga institusyon. Sinimulan namin ang talakayan sa isang breakthrough na pananaliksik, at magtatapos kami sa ilan pang halimbawa.

I-click dito upang matuto tungkol sa kasalukuyang kalagayan ng quantum computing.

Higit Pa Tungkol sa Pananaliksik sa Quantum Computing

Inilathala ng Google Quantum AI at mga kasamahan ang kanilang pananaliksik sa Nature noong Disyembre 2024. Ito ay may pamagat na Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

Tinugunan ng pananaliksik ang isyu ng quantum error correction, isang mahalagang landas patungo sa praktikal na quantum computing. Sa pamamagitan ng pagsasama ng maraming physical qubits sa isang logical qubit, ang pamamaraang ito ay eksponensyal na nagbabawas ng logical error rate habang nadadagdagan ang mga qubit.

Bilang resulta, ipinakita ng mga mananaliksik ang dalawang below-threshold surface code memories sa pinakabagong henerasyon ng superconducting processors, Willow, isang distance-7 code at isang distance-5 code na integrated sa real-time decoder.

Mahalaga ang mga resulta. Ang sistema ay nagpapanatili ng below-threshold performance kapag nagde-decode nang real-time, na nakakamit ng average decoder latency na 63 microseconds sa mga distance na lima hanggang isang milyong cycles, na may cycle time na 1.1 microseconds. Ipinahayag ng mga mananaliksik na ang kanilang pananaliksik ay nagpapahiwatig na kung i-scale, maaaring matugunan ng performance ng device ang operational requirements ng large-scale fault-tolerant quantum algorithms.

Noong 2022, patuloy na nakatuon sa error correction, sinuri ng mga mananaliksik ng IBM ang isang code na tinatawag na gross code, isang bagong uri ng code na maaaring mag-imbak ng quantum information nang walang error gamit ang maliit na bahagi ng hardware overhead. Maaaring magdulot ito ng error correction na may napakababang overhead.

Sa isang papel na inilathala sa Nature, partikular na hinanap ng IBM ang fault-tolerant quantum memory na may mababang qubit overhead, mataas na error threshold, at malaking code distance. Ipinahayag ng kumpanya na ang kanilang mathematical analysis ay nakakita ng konkretong halimbawa ng mga qLDPC code na natugunan ang lahat ng kondisyon ng pagiging fault-tolerant, pagkakaroon ng quantum memory, at pagkakaroon ng mataas na error threshold, malaking code distance, at mababang qubit overhead.

Ipinahayag ng kumpanya na ang kanilang code ay kabilang sa pamilya ng mga code na tinatawag na “Bivariate Bicycle (BB)” codes. Ito ay maghuhubog hindi lamang sa pananaliksik ng IBM sa hinaharap kundi pati na rin kung paano natin i-architect ang mga physical quantum system.

Sa kabuuan, may malawak na pagkakataon upang makamit ang patuloy na pag-unlad sa paglapit sa quantum advantage. Ang pandaigdigang pampublikong pamumuhunan sa quantum technology ay umabot sa US$42 bilyon noong 2023, kung saan nanguna ang China sa mga talaan na may inihayag na pamumuhunan ng gobyerno na US$15.3 bilyon.

Sinundan ito ng Germany, United Kingdom, United States, at South Korea, at iba pa. Ang katotohanang ang mga teknolohikal na maunlad na ekonomiya ay nag-iinvest nang mas marami sa Quantum Computing at kaugnay na teknolohiya ay patunay na napakalawak ng saklaw nito. Ang nakikita natin ngayon ay maaaring tuktok lamang ng iceberg.

I-click dito para sa listahan ng nangungunang limang kumpanya sa quantum computing.