Steve Brierley hävdar att kvantdatorer måste implementera omfattande felkorrigeringstekniker innan de kan bli fullt användbara för samhället
"Det finns inga övertygande argument som tyder på att kommersiellt gångbara tillämpningar kommer att hittas som returnera inte använd kvantfelkorrigerande koder och feltolerant kvantberäkning." Så konstaterade Caltech-fysikern John Preskill under ett föredrag i slutet av 2023 vid Q2B23-mötet i Kalifornien. Helt enkelt måste alla som vill bygga en praktisk kvantdator hitta ett sätt att hantera fel.
Kvantdatorer blir allt kraftfullare, men deras grundläggande byggstenar – kvantbitar eller qubits – är mycket felbenägna, vilket begränsar deras utbredda användning. Det räcker inte att bara bygga kvantdatorer med fler och bättre qubits. Att låsa upp den fulla potentialen hos kvantberäkningsapplikationer kommer att kräva nya hård- och mjukvaruverktyg som kan kontrollera i sig instabila qubits och heltäckande korrigera systemfel 10 miljarder gånger eller mer per sekund.
Preskills ord tillkännagav i huvudsak början av den så kallade Kvantfelskorrigering (QEC) eran. QEC är ingen ny idé och företag har under många år utvecklat teknik för att skydda informationen som lagras i qubits från fel och dekoherens som orsakas av brus. Vad som är nytt är dock att ge upp tanken på att dagens bullriga intermediate scale devices (NISQ) skulle kunna överträffa klassiska superdatorer och köra applikationer som för närvarande är omöjliga.
Visst, NISQ – en term som myntades av Preskill – var en viktig språngbräda på resan mot feltolerans. Men kvantindustrin, investerare och regeringar måste nu inse att felkorrigering är kvantberäkningens avgörande utmaning.
En tidsfråga
QEC har redan sett oöverträffade framsteg bara under det senaste året. År 2023 Google visade att ett 17-qubit-system kunde återhämta sig från ett enda fel och ett 49-qubit-system från två fel (Natur 614 676). amason släppte ett chip som undertryckte fel 100 gånger, medan IBM-forskare upptäckte ett nytt felkorrigeringsschema som fungerar med 10 gånger färre qubits (arXiv: 2308.07915). Sedan i slutet av året producerade Harvard Universitys kvant spin-out Quera det hittills största antalet felkorrigerade qubits .
Avkodning, som förvandlar många opålitliga fysiska qubits till en eller flera pålitliga "logiska" qubits, är en central QEC-teknik. Det beror på att storskaliga kvantdatorer kommer att generera terabyte med data varje sekund som måste avkodas lika snabbt som de förvärvas för att stoppa fel som sprider sig och gör beräkningar värdelösa. Om vi inte avkodar tillräckligt snabbt kommer vi att ställas inför en exponentiellt växande datastock.
Storbritanniens nationella kvantstrategi är en plan vi alla kan tro på
Mitt eget företag – Riverlane – introducerades förra året världens mest kraftfulla kvantavkodare. Vår avkodare löser detta eftersläpningsproblem men det finns det fortfarande mycket mer att göra. Företaget utvecklar för närvarande "strömavkodare" som kan bearbeta kontinuerliga strömmar av mätresultat när de anländer, inte efter att ett experiment är klart. När vi väl har nått det målet finns det mer att göra. Och avkodare är bara en aspekt av QEC - vi behöver också högnoggrannhet och höghastighets "kontrollsystem" för att läsa och skriva qubits.
När kvantdatorer fortsätter att skala måste dessa avkodare och styrsystem arbeta tillsammans för att producera felfria logiska qubits och 2026 siktar Riverlane på att ha byggt en adaptiv eller realtidsavkodare. Dagens maskiner är bara kapabla till några hundra felfria operationer men framtida utveckling kommer att fungera med kvantdatorer som kan behandla en miljon felfria kvantoperationer (känd som en MegaQuOp).
Riverlane är inte ensam om sådana strävanden och andra kvantföretag prioriterar nu QEC. IBM har inte tidigare arbetat med QEC-teknik, utan fokuserar istället på fler och bättre qubits. Men företagets 2033 kvantfärdplan uppger att IBM siktar på att bygga en 1000-qubit-maskin i slutet av decenniet som är kapabel till användbara beräkningar – som att simulera katalysatormolekylernas funktion.
Quera, under tiden, presenterade nyligen sin färdplan som också prioriterar QEC, medan Storbritanniens nationella kvantstrategi syftar till att bygga kvantdatorer som kan köra biljoner felfria operationer (TeraQuOps) till 2035. Andra nationer har publicerat liknande planer och ett mål för 2035 känns uppnåeligt, delvis för att kvantdatorgemenskapen börjar sikta på mindre, inkrementella – men lika ambitiösa – mål.
Skapar scenen för en kvantmarknadsplats: var kvantaffären är på väg och hur den kan utvecklas
Det som verkligen upphetsar mig med Storbritanniens nationella kvantstrategi är målet att ha en MegaQuOp-maskin till 2028. Återigen är detta ett realistiskt mål – jag skulle faktiskt till och med hävda att vi kommer att nå MegaQuOp-regimen tidigare, vilket är anledningen till Riverlanes QEC-lösning, Deltaflow, kommer att vara redo att arbeta med dessa MegaQuOp-maskiner till 2026. Vi behöver ingen radikalt ny fysik för att bygga en MegaQuOp kvantdator – och en sådan maskin kommer att hjälpa oss att bättre förstå och profilera kvantfel.
När vi förstår dessa fel kan vi börja fixa dem och fortsätta mot TeraQuOp-maskiner. TeraQuOp är också ett flytande mål – och ett där förbättringar i både QEC och på andra håll kan resultera i att 2035-målet levereras några år tidigare.
Det är bara en tidsfråga innan kvantdatorer är användbara för samhället. Och nu när vi har ett samordnat fokus på kvantfelskorrigering kommer vi att nå den vändpunkten förr snarare än senare.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://physicsworld.com/a/why-error-correction-is-quantum-computings-defining-challenge/
