Подавление ошибок позволяет использовать оборудование для квантовых вычислений нового поколения

- Advertisement -

Подавление ошибок позволяет использовать оборудование для квантовых вычислений нового поколенияКвантовые вычисления открывают необычайные перспективы, но прежде чем квантовые компьютеры можно будет коммерциализировать, необходимо решить проблемы. Одним из наиболее важных является поиск способов выявления и исправления ошибок в аппаратном обеспечении квантового компьютера. Q-CTRL направлен на решение фундаментальных проблем, стоящих перед квантовой технологией, повышение производительности оборудования и ускорение путей к полезным квантовым компьютерам и другим технологиям. В интервью EE Times Майкл Дж. Бирчук, основатель и генеральный директор Q-CTRL, обсудил, почему алгоритмы квантовой коррекции ошибок (QEC) и их связь с квантовым управлением низкого уровня имеют решающее значение.

Квантовые вычисления – это новый способ хранения и обработки информации с использованием правил квантовой физики. Когда мы это сделаем, проблемы, которые невозможно решить даже на суперкомпьютерах нового поколения, должны стать легкими. Прямо сейчас в лабораториях по всему миру работают и разрабатываются настоящие квантовые компьютеры. Но они сталкиваются с проблемами, связанными с шумом и нестабильностью оборудования.

Сегодняшние машины, как правило, страдают от аппаратных сбоев – ошибок в их цифровых компонентах, которые называются кубитами – за время, намного меньшее, чем секунда. Компании, производящие квантовые компьютеры, такие как IBM и Google, указали, что использование квантовой коррекции ошибок имеет решающее значение при переходе к машинам с 1000 кубитами и более.

- Advertisement -

« Квантовые вычисления достигли огромных успехов за последние 20 лет – сейчас мы регулярно наблюдаем системы в масштабе 50+ кубитов, и отраслевые дорожные карты планируют для устройств на всего в ближайшие несколько лет», – сказал Бирчук. Он добавил: «Но за всем прогрессом квантовых вычислений незаметно скрывается ахиллесова пята области – хрупкость аппаратного обеспечения квантовых вычислений и его подверженность сбоям. Для сравнения: вероятность ошибки для обычного транзистора за один такт составляет примерно 10 –24 или ниже. Для квантового аналога транзистора – кубита – лучшие команды получают около 10 -4 . Это на 20 порядков хуже! »

Квантовая коррекция ошибок – это один из подходов, который обещает помочь квантовой технологии. «Это реально, и было проведено много частичных демонстраций в лабораториях по всему миру, и эти первые шаги ясно показывают, что это потенциально жизнеспособный подход. Двигаясь вперед, нашим ключевым драйвером должно быть преобразование QEC из абстрактной математической концепции, лежащей в основе квантовой информатики, в практически актуальную процедуру, которая в конечном итоге поможет нам приблизиться к тому, что мы действительно хотим – настоящим квантовым компьютерам с гораздо меньшим количеством ошибок », – сказал Бирчук.

Шум и ошибки неизбежны в любом квантовом компьютере . Обычно возникающие ошибки возникают из-за шума в физических кубитах, вызывающего ошибки логического переворота битов или фазового переворота. Следовательно, постулируется необходимость использования QEC в каждой будущей реализации крупномасштабной системы для обеспечения надежности.

QEC – это алгоритм, включающий серию математических операций для выявления и исправления ошибок в квантовых компьютерах. Со временем было проведено множество экспериментов. По мнению ведущих экспертов в этой области, 2021 год может стать годом, когда будет убедительно продемонстрировано, что QEC обеспечивает чистую выгоду для реального оборудования для квантовых вычислений.

«Поскольку QEC является основополагающим для данной области, он занимает видное место в исследованиях и разработке аппаратных средств, а также в квантовой теории информации. В QEC информация о квантовом бите «кодируется» во многих физических системах, что побуждает многие команды взглянуть на то, как необходимое межкубитовое соединение может быть «жестко закреплено» в архитектуре схемы. Точно так же потребность в быстрой локальной обработке и срабатывании вызвала появление нового поколения специализированных платформ классической электроники, нацеленных на QEC – даже на криогенные ПЛИС », – сказал Бирчук.

Он добавил: «Но каким бы особенным ни был QEC для абстрактных квантовых вычислений с математической точки зрения, на практике это просто форма стабилизации с обратной связью с использованием умной схемы измерения, которая выявляет ошибки, не подвергая закодированную квантовую информацию деградации. Это понимание открывает новые возможности для комплексного решения проблемы ошибок в квантовых вычислениях. Вместо того, чтобы исследовать только саму схему кодирования, теперь мы изучаем, как объединить динамическую стабилизацию на уровне устройства с помощью квантовой прошивки с QEC или как использовать алгоритмы интеллектуальной фильтрации в цикле обратной связи QEC. Как и в большинстве случаев, когда мы стремимся стабилизировать нестабильную систему, на программном уровне можно добиться многого. Это основная область внимания Q-CTRL – использование квантового управления для повышения производительности квантового компьютера, в том числе за счет повышения эффективности QEC ».

Отказоустойчивый QEC в принципе позволяет построить квантовый компьютер произвольно большого размера, способный производить сколь угодно длинные вычисления. В последние годы в исследованиях QEC были достигнуты большие успехи за счет внедрения математических приемов, облегчающих рабочую нагрузку. Еще многое предстоит сделать для подтверждения эффективности QEC. В рамках крупной исследовательской программы в государственном секторе, проводимой разведывательным сообществом США, последние четыре года пытались, наконец, пройти точку «безубыточности» экспериментального оборудования для одного логического кубита. QEC можно описать как стабилизацию с обратной связью, то же самое, что используется для регулирования скорости в режиме круиз-контроля или для предотвращения опрокидывания шагающих роботов.

Следующие вызовы
Проблема возникает, когда мы смотрим на реализацию QEC на практике. Алгоритм, по которому выполняется QEC, потребляет ресурсы – больше кубитов и много операций. «Возвращаясь к обещаниям промышленных машин на 1000 кубитов, может потребоваться столько ресурсов, что эти 1000 кубитов принесут только, скажем, пять полезных кубитов, защищенных QEC. Хуже того, объем дополнительной работы, которую необходимо проделать для применения QEC, в настоящее время вносит больше ошибок, чем выгоды, предоставляемые при их выявлении и исправлении. Несмотря на огромный прогресс в уменьшении этой нагрузки, самые продвинутые экспериментальные демонстрации показывают, что в большинстве случаев все же лучше ничего не делать, чем применять QEC », – сказал Бирчук.

Квантовый компьютер
Он добавил: «Переход« точки безубыточности »и достижение полезного, работающего QEC не означает, что мы внезапно вступаем в эпоху без аппаратных ошибок; это просто означает, что нас стало меньше. QEC полностью подавляет ошибки только в том случае, если мы выделяем бесконечные ресурсы на процесс, что явно несостоятельно. Более того, даже если забыть об этих теоретических пределах, QEC несовершенен и основывается на многих предположениях о свойствах ошибок, которые ему поручено исправлять. Небольшие отклонения от этих математических моделей (которые постоянно происходят в реальных лабораториях) могут еще больше снизить эффективность QEC. И снова здесь целостный подход к устранению ошибок в квантовых компьютерах может привести к большим улучшениям ».

Эффективное манипулирование когерентным квантовым оборудованием является серьезной проблемой из-за множества источников, включая недостатки изготовления оборудования, окружающий шум и даже влияние космических лучей, как недавно продемонстрировала команда из Массачусетского технологического института. По мере того, как размеры системы выросли с нескольких до нескольких десятков кубитов, возросла и потребность в новых подходах для подавления влияния этих процессов.

По мере того как сложность квантовых приложений возрастает, возникает потребность во все более длительном времени когерентности. Более длительное время когерентности обеспечивает более высокую производительность и более высокую точность квантовых операций, что чрезвычайно важно для квантовых вычислений. Методы квантового управления помогут определить характеристики и настроить оборудование. Квантовым физикам нужны новые подходы для предотвращения декогеренции из-за шума и потерь, а также для подавления ошибок. Это называется квантовой когерентностью, которая лежит в основе квантовой информационной технологии. В связи с этим важным элементом является квантовая коррекция ошибок.

Похожие статьи

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Пожалуйста, введите ваш комментарий!
пожалуйста, введите ваше имя здесь

Последние записи