Platforma sa are nevoie de corectarea erorilor care funcționează cu diferite hardware.
O parte din hardware -ul optic necesar pentru ca mașinile Atom Computing să funcționeze. Credit: Calculul atomului
Joi, Azure Quantum Group de la Microsoft a anunțat că s -a stabilit pe un plan pentru obținerea corectării erorilor pe calculatoarele cuantice. În timp ce compania urmărește propriile eforturi hardwareEchipa Azure este un furnizor de platforme care oferă în prezent acces la mai multe tipuri distincte de qubits hardware. Deci, a ales o schemă potrivită pentru mai multe tehnologii diferite de calcul cuantic (excluzând în special propria sa). Compania estimează că sistemul pe care s -a stabilit poate lua qubits hardware cu o rată de eroare de aproximativ 1 din 1.000 și le poate folosi pentru a construi qubit -uri logice în care erorile sunt în schimb 1 în 1 milion.
Deși descrie schema în termeni de dovezi și simulări matematice, nu a arătat că funcționează încă folosind hardware real. Dar unul dintre partenerii săi, Atom Computing, însoțește anunțul cu o descriere a modului în care mașina sa este capabilă să efectueze toate operațiunile care vor fi necesare.
Conexiuni arbitrare
Există asemănări și diferențe între ceea ce vorbește compania astăzi și IBM’s Actualizare recentă a foii de parcurscare a descris o altă cale către calcularea cuantică rezistentă la erori. În cazul IBM, face atât stiva de software care va efectua corectarea erorilor, cât și hardware -ul necesar pentru implementarea acesteia. Folosește hardware-ul bazat pe cipuri, cu conexiunile dintre qubits mediate prin cabluri care sunt stabilite atunci când este fabricat cipul. Deoarece schemele de corecție a erorilor necesită o dispunere foarte specifică a conexiunilor între qubits, odată ce IBM decide pe o schemă de corecție a erorilor cuantice, poate proiecta cipuri cu cablarea necesară pentru implementarea acestei scheme.
În schimb, Azure Microsoft oferă utilizatorilor săi acces la hardware de la mai multe companii diferite de calcul cuantice, fiecare bazată pe tehnologie diferită. Unele dintre ele, cum ar fi procesorul planificat al lui Rigetti și Microsoft, sunt similare cu IBM, prin faptul că au un aspect fix în timpul fabricării și, astfel, pot gestiona doar coduri compatibile cu aspectul lor de cablare. Dar altele, cum ar fi cele furnizate de Quantinuum și Atom Computing, își stochează qubit -urile în atomi care pot fi mișcați și conectați în mod arbitrar. Aceste conexiuni arbitrare permit luarea în considerare a unor tipuri de scheme de corecție a erorilor foarte diferite.
Poate fi util să ne gândim la acest lucru folosind o analogie cu geometria. Un cip este ca un avion, unde este cel mai ușor să formați conexiunile necesare pentru corectarea erorilor între qubiturile vecine; Sunt posibile conexiuni mai lungi, dar nu la fel de ușoare. Lucruri precum ionii și atomii prinși oferă un sistem de dimensiuni superioare, unde sunt posibile modele de conexiuni mult mai complicate. (Din nou, aceasta este o analogie. IBM folosește cabluri tridimensionale în cipurile sale de procesare, în timp ce calcularea atomului stochează toți atomii săi într-un singur plan.)
Anunțul Microsoft este axat pe tipurile de procesoare care pot forma conexiunile mai complicate, arbitrare. Și, bine, profită din plin de acest lucru, construind un sistem de corecție a erorilor cu conexiuni care formează un hipercub în patru dimensiuni. „Ne-am concentrat într-adevăr pe codurile de patru dimensiuni datorită amenabilității lor la proiectele hardware curente și apropiate”, „Microsoft’s Krysta Svore a spus ARS.
Codul nu numai că descrie aspectul qubit -urilor și conexiunile lor, dar și scopul fiecărui qubit hardware. Unele dintre ele sunt folosite pentru a se agăța de valoarea qubit -ului logic stocat într -un singur bloc de cod. Alții sunt folosiți pentru ceea ce se numesc „măsurători slabe”. Aceste măsurători ne spun ceva despre starea celor care se mențin la date – nu suficient pentru a -și cunoaște valorile (o măsurare care ar pune capăt legăturii), dar suficient pentru a spune dacă s -a schimbat ceva. Detaliile măsurării permit efectuarea corecțiilor care să restabilească valoarea inițială.
Este descris sistemul de corecție a erorilor Microsoft într -un preprint că compania a lansat recent. Include o familie de geometrii conexe, fiecare oferind diferite grade de corectare a erorilor, pe baza câte erori simultane pot identifica și remedia. Descrierile sunt despre ceea ce te -ai aștepta pentru matematica și geometria complicate – „Având în vedere un zăbrele λ cu un HNF Lsubspațiul de cod al codului geometric 4D CΛ este întins de a doua omologie h2(T.4ΛF2) din 4-torus t4Λ—Da, dar ele este că toate acestea convertesc colecții de qubits fizice în șase qubituri logice care pot fi corectate de eroare.
Cu cât adăugați mai multe qubit -uri hardware pentru a găzdui acele șase qubit -uri logice, cu atât o protecție mai mare de eroare pe care o primește fiecare dintre ele. Acest lucru devine important, deoarece unii algoritmi mai sofisticați vor avea nevoie de mai mult decât o protecție de eroare de un milion pe care Svore a spus că o va oferi versiunea favorizată a Microsoft. Acest favorit este ceea ce se numește versiunea Hadamard, care îmbină 96 qubits hardware pentru a forma șase qubit -uri logice și are o distanță de opt (distanța fiind o măsură a câte erori simultane poate tolera). Puteți compara asta cu anunțul IBM, care a folosit 144 de qubit -uri hardware pentru a găzdui 12 qubituri logice la o distanță de 12 (deci, mai mult hardware, dar mai multe qubituri logice și o rezistență mai mare la eroare).
Celelalte lucruri bune
Pe cont propriu, o descriere a geometriei nu este deosebit de interesantă. Dar Microsoft susține că această familie de coduri de corecție a erorilor are câteva avantaje semnificative. “Toate aceste coduri din această familie sunt ceea ce numim o singură lovitură”, a spus Svore. “Și asta înseamnă că, cu un număr constant foarte scăzut de runde de a obține informații despre zgomot, se poate decoda și corecta erorile. Acest lucru nu este valabil pentru toate codurile.”
Limitarea numărului de măsurători necesare pentru detectarea erorilor este importantă. Pentru început, măsurătorile în sine pot crea erori, astfel încât a face mai puțini să facă sistemul mai robust. În plus, în lucruri precum calculatoarele atomice neutre, atomii trebuie să fie mutați în anumite locații în care au loc măsurători, iar măsurătorile le încălzesc, astfel încât să nu poată fi reutilizate până la răcire. Deci, limitarea măsurătorilor necesare poate fi foarte importantă pentru performanța hardware -ului.
Al doilea avantaj al acestei scheme, așa cum este descris în proiectul de hârtie, este faptul că puteți efectua toate operațiunile necesare pentru calcularea cuantică pe qubit -urile logice pe care aceste scheme gazdă. La fel ca în calculatoarele obișnuite, toate calculele complicate efectuate pe un computer cuantic sunt construite dintr -un număr mic de operații logice simple. Dar nu orice operație logică posibilă funcționează bine cu orice schemă de corecție a erorilor dată. Așadar, poate fi non-banal să arătăm că o schemă de corecție a erorilor este compatibilă cu suficient de multe operații mici pentru a permite calculul cuantic universal.
Deci, lucrarea descrie modul în care unele operații logice pot fi efectuate relativ ușor, în timp ce altele necesită manipulări ale schemei de corecție a erorilor pentru a funcționa. (Aceste manipulări au nume precum Chirurgie pentru zăbrele şi Distilarea statului magiccare sunt semne bune că câmpul nu se ia în sine că serios.)
Așadar, pe scurt, Microsoft consideră că a identificat o schemă de corecție a erorilor care este destul de compactă, poate fi implementată eficient pe hardware care stochează qubits în fotoni, atomi sau ioni prinși și permite calculul universal. Totuși, ceea ce nu a făcut este să arătăm că funcționează de fapt. Și asta pentru că pur și simplu nu are hardware -ul acum. Azure oferă mașini ionice prinse de la Ionq și Qantinuum, dar acestea se ridică la 56 de qubits – bine sub 96 necesare pentru versiunea lor favorizată a acestor coduri 4D. Cel mai mare acces la care are o mașină de 100 de qubit de la o companie numită Pasqal, care abia se potrivește celor 96 de qubits necesare, lăsând loc pentru eroare.
Deși ar trebui să fie posibil să testați versiuni mai mici de coduri în aceeași familie, echipa Azure a demonstrat deja Capacitatea sa de a lucra cu coduri de corecție a erorilor bazate pe hipercube, deci nu este clar dacă există ceva de câștigat din această abordare.
Mai mulți atomi
În schimb, se pare că așteaptă un alt partener, Atom Computing, să-și câștige mașina de generație următoare, unul pe care îl proiectează în parteneriat cu Microsoft. “Această primă generație pe care o construim împreună între calculul atomului și Microsoft va include capacități cuantice de ultimă generație, va avea 1.200 de qubits fizici”, a spus Svore “, iar apoi următorul actualizare a mașinii va avea peste 10.000.
Deci, anunțul de astăzi a fost însoțit de O actualizare a progresului de la calcularea atomului, concentrându -se pe un proces numit „măsurare de mijloc”. În mod normal, în timpul algoritmilor de calcul cuantic, trebuie să rezistați la efectuarea oricăror măsurători ale valorii qubit -urilor până la finalizarea întregului calcul. Acest lucru se datorează faptului că calculele cuantice depind de lucruri precum înțelegerea și fiecare qubit fiind într -o superpoziție între cele două valori ale sale; Măsurătorile pot determina toate acestea să se prăbușească, producând valori definitive și încheind înțelegerea.
Cu toate acestea, schemele de corecție a erorilor cuantice necesită ca unele dintre qubiturile hardware să fie supuse măsurătorilor slabe de mai multe ori în timp ce calculul este în curs. Acestea sunt măsurători cuantice care au loc în mijlocul unui calcul – măsurătorile decircuitului, cu alte cuvinte. Pentru a arăta că hardware-ul său va fi în conformitate cu sarcina pe care Microsoft o așteaptă de la acesta, compania a decis să demonstreze măsurători de mijloc ale circuitului pe qubits care implementează un cod simplu de corecție a erorilor.
Procesul dezvăluie câteva caracteristici notabile care sunt distincte de a face acest lucru cu atomi neutri. Pentru început, atomii folosiți pentru corectarea erorilor trebuie să fie mutați într -o locație – zona de măsurare – unde pot fi măsurați fără a deranja altceva. Apoi, măsurarea încălzește de obicei atomul ușor, ceea ce înseamnă că trebuie să fie răcite înapoi după aceea. Niciunul dintre aceste procese nu este perfect și, uneori, un atom se pierde și trebuie înlocuit cu unul dintr -un rezervor de piese de schimb. În cele din urmă, valoarea atomului trebuie să fie resetată și trebuie trimisă înapoi la locul său în qubit -ul logic.
Testarea a relevat faptul că aproximativ 1 la sută dintre atomi se pierd fiecare ciclu, dar sistemul le înlocuiește cu succes. De fapt, au înființat un sistem în care întreaga colecție de atomi este imaginată în timpul ciclului de măsurare, iar orice atom care lipsește este identificat de un sistem automat și înlocuit.
În general, fără toate aceste sisteme în vigoare, fidelitatea unui qubit este de aproximativ 98 la sută în acest hardware. Odată cu corectarea erorilor, chiar și acest simplu qubit logic a înregistrat creșterea fidelității peste 99,5 la sută. Toate acestea sugerează că următorul lor computer ar trebui să fie la curent cu unele teste semnificative ale schemei de corectare a erorilor Microsoft.
În așteptarea laserelor
Întrebările cheie sunt când va fi lansat, iar atunci când succesorul său, care ar trebui să fie capabil să efectueze unele calcule reale, îl va urma? Este ceva care este o întrebare dificilă de pus, deoarece, mai mult decât alte tehnologii cuantice de calcul, calcularea neutră a atomului depinde de ceva ce nu este făcut de oamenii care construiesc calculatoarele: laserele. Totul despre acest sistem – deținerea atomilor în loc, mutarea lor, măsurarea, efectuarea de manipulări – se face cu un laser. Cu cât zgomotul este mai mic al laserului (în ceea ce privește lucrurile precum deriva de frecvență și fluctuațiile energetice), cu atât va avea performanțe mai bune.
Așadar, în timp ce Atom poate explica nevoile sale către furnizorii săi și să lucreze cu ei pentru a duce la bun sfârșit lucrurile, acesta are mai puțin control asupra soartei sale decât unele alte companii din acest spațiu.
John este editorul științific al ARS Technica. Are un licențiat în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologia moleculară și celulară de la univer Sity of California, Berkeley. Când se desparte fizic de tastatura sa, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru comunicarea cu cizmele sale de drumeție.
