Poate o mașină mică care face corectarea erorilor mai ușoară să răstoarne piața?
O reprezentare grafică a celor două cavități de rezonanță care pot deține fotoni, împreună cu un canal care permite fotonului să se miște între ele. Credit: Circuite cuantice
Ne apropiem de sfârșitul anului și, în mod obișnuit, există un val de anunțuri cu privire la computerele cuantice în prezent, în parte pentru că unele companii doresc să se ridice la nivelul programelor promise. Cele mai multe dintre acestea implică îmbunătățiri evolutive față de generațiile anterioare de hardware. Dar anul acesta, avem ceva nou: prima companie care a lansat pe piață o nouă tehnologie qubit.
Tehnologia se numește qubit cu două șine și are scopul de a face cea mai comună formă de eroare ușor de detectat în hardware, făcând astfel corectarea erorilor mult mai eficientă. Și, în timp ce gigantul tehnologic Amazon are am experimentat cu eiun startup numit Quantum Circuits este primul care oferă publicului acces la qubiți cu două șine printr-un serviciu cloud.
Deși tehnologia este interesantă în sine, ne oferă, de asemenea, o fereastră asupra modului în care domeniul în ansamblu se gândește să facă funcționarea calculului cuantic corectat de erori.
Ce este un qubit cu două șine?
Qubiții cu două șine sunt variante ale hardware-ului utilizat în transmonii, qubiții favorizați de companii precum Google și IBM. Unitatea hardware de bază leagă o buclă de fir supraconductor de o cavitate minusculă care permite fotonilor cu microunde să rezoneze. Această configurație permite prezenței fotonilor cu microunde în rezonator să influențeze comportamentul curentului din fir și invers. Într-un transmon, fotonii cu microunde sunt utilizați pentru a controla curentul. Dar există și alte companii care au hardware care face invers, controlând starea fotonilor prin modificarea curentului.
Qubiții cu șine dublă folosesc două dintre aceste sisteme legate între ele, permițând fotonilor să se deplaseze de la rezonator la celălalt. Folosind buclele supraconductoare, este posibil să se controleze probabilitatea ca un foton să ajungă în rezonatorul din stânga sau din dreapta. Locația reală a fotonului va rămâne necunoscută până când este măsurat, permițând sistemului în ansamblu să dețină un singur bit de informații cuantice – un qubit.
Acest lucru are un dezavantaj evident: trebuie să construiți de două ori mai mult hardware pentru același număr de qubiți. Deci de ce să te deranjezi? Pentru că marea majoritate a erorilor implică pierderea fotonului și aceasta este ușor de detectat. „Este aproximativ 90 la sută sau mai mult [of the errors]„, a spus Andrei Petrenko de la Quantum Circuits. „Deci este un avantaj imens pe care îl avem cu pierderea de fotoni față de alte erori. Și asta este de fapt ceea ce face corectarea erorilor mult mai eficientă: faptul că pierderile de fotoni sunt de departe eroarea dominantă.”
Petrenko a spus că, fără a face o măsurătoare care ar perturba stocarea qubitului, este posibil să se determine dacă există un număr impar de fotoni în hardware. Dacă nu este cazul, știți că a avut loc o eroare – cel mai probabil o pierdere de fotoni (câștigurile de fotoni sunt rare, dar apar). Pentru algoritmi simpli, acesta ar fi un semnal de a începe pur și simplu de la capăt.
Dar nu elimină necesitatea corectării erorilor dacă dorim să facem calcule mai complexe care nu pot ajunge la finalizare fără a întâmpina o eroare. Există încă restul de 10 la sută din erori, care sunt în primul rând ceva numit o schimbare de fază care este distinctă de sistemele cuantice. Întoarcerile de biți sunt și mai rare în configurațiile cu șine dublă. În cele din urmă, pur și simplu știind că un foton a fost pierdut nu vă spune tot ce trebuie să știți pentru a remedia problema; Măsurătorile de corectare a erorilor ale altor părți ale qubitului logic sunt încă necesare pentru a rezolva orice problemă.
Dispunerea noii mașini. Fiecare qubit (pătrat gri) implică o cameră de rezonanță stânga și dreaptă (puncte albastre) între care se poate mișca un foton. Fiecare dintre qubiți are conexiuni care permit încurcarea cu cei mai apropiați vecini ai săi. Credit: Quantum Circuits
De fapt, hardware-ul inițial care este disponibil este prea mic pentru a aborda chiar și calcule utile. În schimb, Quantum Circuits a ales să conecteze opt qubiți cu conexiuni de cel mai apropiat vecin pentru a-i permite să găzduiască un singur qubit logic care să permită corectarea erorilor. Cu alte cuvinte: această mașină este menită să permită oamenilor să învețe cum să folosească caracteristicile unice ale qubiților cu șine dublă pentru a îmbunătăți corectarea erorilor.
O consecință a acestui hardware distinctiv este că stiva de software care controlează operațiunile trebuie să profite de capacitățile sale de detectare a erorilor. Niciunul dintre celelalte hardware de pe piață nu poate fi interogat direct pentru a determina dacă a întâmpinat o eroare. Așadar, Quantum Circuits a trebuit să-și dezvolte propria stivă de software pentru a permite utilizatorilor să beneficieze efectiv de qubiții cu șine dublă. Petrenko a spus că compania a ales, de asemenea, să ofere acces la hardware-ul său prin intermediul propriului serviciu cloud, deoarece dorea să se conecteze direct cu primii adoptatori pentru a înțelege mai bine nevoile și așteptările acestora.
Cifre sau zgomot?
Având în vedere că o serie de companii au lansat deja mai multe revizuiri ale hardware-ului lor cuantic și le-au scalat în sute de qubiți individuali, poate părea puțin ciudat să vedem o companie care intră acum pe piață cu o mașină care are doar o mână de qubiți. Dar, în mod uimitor, Quantum Circuits nu este singurul care planifică o intrare relativ târzie pe piață cu hardware care găzduiește doar câțiva qubiți.
După ce am vorbit cu mai mulți dintre ei, există o logică în ceea ce fac. Ceea ce urmează este încercarea mea de a transmite această logică într-o formă generală, fără să mă concentrez pe cazul vreunei companii.
Toată lumea este de acord că viitorul calculului cuantic este corectarea erorilor, care necesită conectarea mai multor qubiți hardware într-o singură unitate numită qubit logic. Pentru a obține o performanță cu adevărat robustă, fără erori, aveți două opțiuni. Una este să dedicați o mulțime de qubiți hardware qubitului logic, astfel încât să puteți gestiona mai multe erori simultan. Sau puteți reduce rata de eroare a hardware-ului, astfel încât să puteți obține un qubit logic cu performanță echivalentă în timp ce utilizați mai puțini qubits hardware. (Cele două opțiuni nu se exclud reciproc și toată lumea va trebui să facă puțin din ambele.)
Cele două opțiuni ridică provocări foarte diferite. Îmbunătățirea ratei de eroare hardware înseamnă scufundarea în fizica qubiților individuali și a hardware-ului care îi controlează. Cu alte cuvinte, obținerea de lasere care au mai puține fluctuații inevitabile ale frecvenței și energiei. Sau să descoperi cum să produci bucle de sârmă supraconductoare cu mai puține defecte sau să gestionezi sarcinile rătăcite de pe suprafața electronicelor. Acestea sunt probleme relativ grele.
În schimb, scalarea numărului de qubiți implică în mare măsură posibilitatea de a face în mod constant ceva ce știți deja să faceți. Deci, dacă știți deja cum să faceți un fir supraconductor bun, trebuie pur și simplu să faceți câteva mii de exemple din acel fir în loc de câteva zeci. Elementele electronice care vor prinde un atom pot fi realizate într-un mod care va face mai ușor să le facă de mii de ori. Acestea sunt în mare parte probleme de inginerie și, în general, de complexitate similară cu problemele pe care le-am rezolvat deja pentru a face revoluția electronică.
Cu alte cuvinte, în anumite limite, scalarea este o problemă mult mai ușor de rezolvat decât erorile. Încă va fi extrem de dificil să obținem milioanele de qubiți hardware de care am avea nevoie pentru a corecta erori de algoritmi complecși pe hardware-ul actual. Dar dacă putem reduce rata de eroare un pic, putem folosi qubiți logici mai mici și ar putea avea nevoie doar de 10.000 de qubiți hardware, ceea ce va fi mai accesibil.
Erori mai întâi
Și există dovezi că chiar și primele intrări în calculul cuantic au raționat în același mod. Google a lucrat la iterații ale aceluiași design de cip de la data sa Anunțul supremației cuantice din 2019concentrându-se pe intelegerea erorilor care apar pe versiunile îmbunătățite ale acelui cip. fabricat de IBM atinge pragul de 1.000 de qubit un obiectiv major, dar de atunci a fost concentrat reducerea ratei de eroare la procesoare mai mici. Cineva de la o pornire de calcul cuantic ne-a spus odată că ar fi banal să prindem mai mulți atomi în hardware-ul său și să creștem numărul de qubiți, dar nu avea prea mult rost să facem acest lucru, având în vedere ratele de eroare ale qubiților de pe mașina generată de atunci. .
Noile companii care intră acum pe această piață argumentează că au o tehnologie care fie va reduce radical rata de eroare, fie va face mult mai ușoară gestionarea erorilor care apar. Circuitele cuantice se încadrează în mod clar în această din urmă categorie, deoarece qubiții cu șine dublă se referă în întregime la a face cea mai comună formă de eroare să fie trivială de detectat. Prima categorie include companii precum Oxford Ionics, care a indicat că poate realiza porți cu un singur qubit cu o fidelitate de peste 99,9991 la sută. Sau Alice și Bobcare stochează qubiți în comportamentul mai multor fotoni într-o singură cavitate de rezonanță, făcându-i foarte robusti la pierderea fotonilor individuali.
Aceste companii pariază că au tehnologie distinctă care le va permite să gestioneze problemele cu rata de eroare mai eficient decât jucătorii consacrați. Acest lucru va scădea scalarea totală pe care trebuie să o facă, iar scalarea va fi o problemă mai ușoară în general – și una pe care ar putea să aibă deja piesele la locul lor pentru a o gestiona. Petrenko de la Quantum Circuits, de exemplu, i-a spus lui Ars: „Cred că suntem în punctul în care am trecut printr-o serie de iterații ale acestei arhitecturi qubit în care am eliminat mai multe blocaje de inginerie.” Iar Oxford Ionics ne-a spus că, dacă ar putea produce electronicele pe care le folosesc pentru a prinde ionii în hardware-ul lor o dată, ar fi ușor să le producă în masă.
Nimic din toate acestea nu ar trebui să implice că aceste companii le vor avea ușor în comparație cu un startup care are deja experiență atât cu reducerea erorilor, cât și cu scalarea, sau cu un gigant precum Google sau IBM care are resursele pentru a face ambele. Dar explică de ce, chiar și în această etapă a dezvoltării calculului cuantic, încă vedem startup-uri care intră în domeniu.
John este editorul științific al Ars Technica. Are o licență în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când este separat fizic de tastatură, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru a comunica cu ghetele de drumeție.
Comentarii recente