Jak Microsoft i Quantinuum osiągnęły niezawodność obliczeń kwantowych

Stosując innowacyjny system wirtualizacji kubitów do sprzętu pułapki jonowej, Microsoft i Quantinuum były w stanie stworzyć cztery wysoce niezawodne kubity logiczne z zaledwie 30 kubitów fizycznych, wykazując jednocześnie 800-krotną poprawę wskaźnika błędów.

Hybrydowy superkomputer, który łączy w sobie zarówno klasyczne, jak i kwantowe możliwości, ma potencjał do rozwiązywania wcześniej trudnych do rozwiązania problemów i zajmowania się najbardziej palącymi globalnymi kwestiami. Zasilana przez 100 niezawodnych kubitów logicznych, maszyna hybrydowa mogłaby potencjalnie rozwiązywać problemy naukowe, które są nierozwiązywalne na klasycznych maszynach. Aby urzeczywistnić ten potencjał, potrzebne są przełomowe osiągnięcia naukowe i inżynieryjne. Firma Microsoft ogłosiła dziś przełomowe osiągnięcie, które rozwija dziedzinę obliczeń kwantowych poprawiając logiczną stopę błędów o 800x w porównaniu do stopy błędów odpowiadających im fizycznych kubitów, tworząc w ten sposób najbardziej niezawodne logiczne kubity do tej pory.

Kubity fizyczne i logiczne

Obliczenia kwantowe wykorzystują kubity do przechowywania i przetwarzania informacji. Jednak dzisiejsze kubity są podatne na błędy, które ograniczają ich użyteczność i praktyczność wszystkich hałaśliwych komputerów kwantowych średniej skali. Istnieją dwa podejścia do redukcji tych błędów:

1. Poprawa jakości fizycznych kubitów i ich działania.
2. Wykorzystanie zaawansowanych technik do łączenia wielu fizycznych kubitów w bardziej niezawodne wirtualne kubity, które często nazywane są logicznymi kubitami.

Samo zwiększenie liczby fizycznych kubitów z wysokim poziomem błędu – bez poprawy tego poziomu błędu – jest daremne, ponieważ spowodowałoby to powstanie dużego komputera kwantowego, który nie byłby bardziej wydajny niż wcześniej. W przeciwieństwie do tego, gdy fizyczne kubity o wystarczającej jakości działania są używane z wyspecjalizowanym systemem orkiestracji i diagnostyki, aby umożliwić wirtualne kubity, tylko wtedy zwiększenie liczby fizycznych kubitów skutkuje potężnymi, odpornymi na błędy komputerami kwantowymi zdolnymi do wykonywania dłuższych, bardziej złożonych obliczeń.

Wykorzystanie wirtualizacji kubitów do tworzenia wysoce niezawodnych kubitów logicznych

Przedstawione tutaj wyniki zostały osiągnięte poprzez połączenie systemu wirtualizacji kubitów firmy Microsoft ze specjalistycznym sprzętem firmy Quantinuum. Seria H firmy Quantinuum kubity pułapki jonowej i unikalna architektura Quantum Charged Coupled Device mają doskonałą wierność bramkowania dwóch kubitów na poziomie 99,8%. Stosując nasz system wirtualizacji kubitów do ich kubitów, byliśmy w stanie uruchomić do tej pory 14 000 niezależnych instancji bez ani jednego błędu. Nasz zaawansowany system ma wbudowaną diagnostykę i korektę błędów, co pozwala nam łatwo określić, które błędy należy naprawić i jak je naprawić.

Dzięki naszemu systemowi wirtualizacji kubitów byliśmy w stanie stworzyć cztery wysoce niezawodne logiczne kubity z zaledwie 30 fizycznych kubitów z 32 dostępnych na maszynie Quantinuum. Po splątaniu te logiczne kubity wykazywały poziom błędu obwodu wynoszący 10^-5 lub 0,00001, co oznacza, że wystąpiłby błąd tylko raz na 100 000 uruchomień. Jest to 800-krotna poprawa w stosunku do poziomu błędu obwodu wynoszącego 8×10^-3 lub 0,008, mierzone na podstawie splątanych kubitów fizycznych. Wynik ten został osiągnięty dzięki połączeniu zaawansowanej diagnostyki błędów w czasie pracy z odrzucaniem przebiegów obliczeniowych i korekcją błędów. Możesz przeczytać więcej o naszych metody i wyniki.

800-krotna poprawa wskaźnika błędów odpowiada poprawie sygnału o 29 dB, czyli tyle samo, co w przypadku wysokiej jakości zestawu słuchawkowego z redukcją szumów. Aby rozszerzyć tę analogię, hałas otoczenia występujący w samolocie reprezentuje poziom hałasu, jaki wykazują fizyczne kubity. Aktywacja funkcji redukcji szumów w słuchawkach w celu słuchania muzyki, przy jednoczesnym usunięciu większości hałasu otoczenia, jest podobna do zastosowania naszego systemu wirtualizacji kubitów.

Poprawa o 800x była możliwa dzięki postępom w protokołach tolerancji błędów Microsoftu, które były opracowywane przez nasz zespół przez wiele lat i obejmują staranne projektowanie i optymalizację w celu znacznego zmniejszenia zarówno liczby fizycznych kubitów, jak i fizycznych operacji potrzebnych do wytworzenia niezawodnych kubitów logicznych. Wyniki te ulegną dalszej poprawie, gdy będziemy kontynuować optymalizację naszych metod.

Microsoft i Quantinuum

Postęp w dziedzinie obliczeń kwantowych

Dzięki stworzonym przez nas kubitom logicznym byliśmy w stanie z powodzeniem przeprowadzić wielokrotne ekstrakcje aktywnych syndromów, czyli zdiagnozować i skorygować błędy bez zniszczenia kubitów logicznych. Ekstrakcja syndromów jest ważna, ponieważ pozwala na wykonywanie dłuższych i bardziej złożonych obliczeń bez awarii, co jest niezbędne do osiągnięcia odpornych na błędy obliczeń kwantowych.

Osiągnięcie to stanowi pierwszy krok w kierunku możliwości korygowania błędów podczas nie nie niszczy logicznych kubitów i stanowi fundamentalny kamień milowy w kwantowej korekcji błędów. Zademonstrowaliśmy ten krytyczny element niezawodnych obliczeń kwantowych za pomocą naszego systemu wirtualizacji kubitów, co zaowocowało niskim poziomem błędów logicznych w wielu rundach ekstrakcji syndromu.

Niezawodne obliczenia kwantowe

Trzy podstawowe kryteria aby przejść od hałaśliwych obliczeń kwantowych w skali pośredniej do niezawodnych obliczeń kwantowych:

1. Osiągnięcie dużej separacji między logicznymi i fizycznymi poziomami błędów.
2. Popraw wszystkie indywidualne błędy obwodu.
3. Wygenerowanie splątania między co najmniej dwoma kubitami logicznymi.

Po raz pierwszy w historii wykazaliśmy, że wszystkie trzy powyższe kryteria zostały spełnione. W przypadku pierwszego kryterium osiągnęliśmy 800-krotną poprawę poziomu błędów logicznych w porównaniu do poziomu błędów fizycznych. Aby określić ilościowo tę 800-krotną poprawę, splątaliśmy kubity i przeprowadziliśmy diagnostykę błędów w czasie pracy oraz korekty błędów w pomiarach (jak widać na rysunkach 1 i 2), spełniając w ten sposób drugie i trzecie kryterium.

Oprócz spełnienia powyższych trzech kryteriów, zademonstrowaliśmy kilka rund aktywnej ekstrakcji syndromów na dwóch logicznych kubitach, co oznacza przejście do niezawodnych obliczeń kwantowych. Osiągnięcie to jest warunkiem wstępnym do zbudowania hybrydowego superkomputera klasyczno-kwantowego, który przewyższa nawet najpotężniejsze komputery klasyczne.

Nie wszystkie kubity logiczne mają taki sam stopień użyteczności i tylko te o bardzo niskim poziomie błędów, takie jak te opisane tutaj, mogą niezawodnie wykonywać nietrywialne obliczenia. Zintegrowanie tych wysoce niezawodnych kubitów logicznych, stworzonych przy użyciu sprzętu Quantinuum i naszego systemu wirtualizacji kubitów, do Azure Quantum Elements zapewni użytkownikom prawdziwie hybrydowe środowisko obliczeniowe – takie, które łączy moc wysokowydajnych obliczeń w chmurze z zaawansowanymi modelami sztucznej inteligencji i ulepszonymi możliwościami obliczeń kwantowych.

Osiągnięcie niezawodnych obliczeń kwantowych jest znaczącym kamieniem milowym i umożliwi nowe możliwości i odkrycia naukowe, ponieważ system wirtualizacji qubitów firmy Microsoft będzie nadal ulepszany. Korzystając z tych możliwości, będziemy nadal inwestować w technologię, która może skalować się do poziomu superkomputerów hybrydowych, co będzie wymagało logicznych kubitów, które doświadczają znacznie mniej niż jednego błędu na każde 100 milionów operacji. Superkomputer hybrydowy, który łączy w sobie możliwości klasyczne i kwantowe, mógłby rozwiązywać istotne z komercyjnego punktu widzenia problemy, które są zbyt złożone dla klasycznych komputerów. Aby osiągnąć ten poziom obliczeń kwantowych, Microsoft opracowuje qubit z wbudowaną ochroną przed błędami i cyfrową kontrolą znaną jako topologiczny kubiti opublikowaliśmy wyniki dotyczące ostatnie postępy w tym przedsięwzięciu.

Dowiedz się więcej o postępach Microsoftu i poznaj moc obliczeń kwantowych