Felhantering för kvantdatorer kan i slutändan leda till mer tillförlitliga och användbara system, enligt IBM, som nu demonstrerat hur företagets felhanteringsteknik gör att en kvantdator presterar bättre än en klassisk superdator.
Kvantdatorer är utmärkta för att lösa stora, datatunga problem, och framtida tillämpningar förväntas avsevärt förbättra områden som AI och maskininlärning inom bland annat fordons-, finans- och sjukvårdssektorn. Men en av de utmaningar som utvecklarna står inför är att dagens kvantsystem är brusiga och att de genererar fel.
”Dagens kvantsystem är till sin natur brusiga och de producerar ett betydande antal fel som hämmar prestandan. Detta beror på att kvantbitar eller qubits är ömtåliga och påverkas av störningar från omgivningen”, säger IBM i ett pressmeddelande om företagets senaste framsteg inom kvantområdet.
IBM Quantum och University of California, Berkeley berättade i veckan att de har utvecklat tekniker som visar att ”brusiga kvantdatorer kommer att kunna ge värde tidigare än väntat, allt tack vare framsteg i IBM Quantum-hårdvaran och utvecklingen av nya felreduceringsmetoder”, skriver forskarna i ett white paper som publicerades i Nature i veckan.
”Det är naturligt att fel uppstår i en dator: kvanttillståndet bör utvecklas i enlighet med den kvantkrets som exekveras. Det faktiska kvanttillståndet och kvantbitarna kan dock utvecklas annorlunda och orsaka fel i beräkningen, på grund av olika oundvikliga störningar i den yttre miljön eller i själva hårdvaran, störningar som vi kallar brus”, förklarar forskarna.
”Men kvantbitfel är mer komplexa än klassiska bitfel. Inte nog med att qubitens noll- eller ettvärde kan ändras, qubitarna har också en fas – ungefär som en riktning de visar. Vi måste hitta ett sätt att hantera båda dessa typer av fel på varje nivå i systemet: genom att förbättra vår kontroll över själva beräkningshårdvaran och genom att bygga in redundans i hårdvaran så att vi även om en eller ett par qubits blir felaktiga ändå kan få fram ett korrekt värde för våra beräkningar.”
Nyligen delade IBM-forskare med sig av ett experiment som visade att en kvantdator, genom att mildra fel, kunde överträffa ledande klassiska beräkningsmetoder. IBM använde sin 127-qubit Eagle kvantprocessor för att generera stora, sammanflätade tillstånd som simulerar dynamiken hos spinn i en modell av material och exakt förutsäga dess egenskaper.
Ett forskarlag vid UC Berkeley utförde samma simuleringar på klassiska superdatorer för att verifiera resultaten från IBM Quantum Eagle-processorn. När modellens skala och komplexitet ökade fortsatte kvantdatorn att visa exakta resultat med hjälp av avancerade tekniker för felreducering, till och med när de klassiska beräkningsmetoderna till slut vacklade och inte matchade IBM Quantum-systemet, säger forskarna.
– Det här är första gången vi har sett kvantdatorer exakt modellera ett fysiskt system i naturen utöver ledande klassiska metoder”, säger Darío Gil, senior vice president och chef för IBM Research, i ett uttalande.
– För oss är denna milstolpe ett viktigt steg för att bevisa att dagens kvantdatorer är kapabla, vetenskapliga verktyg som kan användas för att modellera problem som är extremt svåra – och kanske omöjliga – för klassiska system, vilket signalerar att vi nu går in i en ny era av nytta för kvantberäkning.
Den beräkningsmodell som IBM använde för att utforska detta arbete är en central del av många algoritmer som utformats för kvantmekaniska enheter på kort sikt. Och själva storleken på kretsarna – 127 qubits som kör 60 steg av kvantgrindar – är några av de längsta och mest komplexa som hittills har körts framgångsrikt, enligt forskarna.
”Och med tillförsikten att våra system börjar ge användbarhet utöver enbart klassiska metoder, kan vi börja överföra vår flotta av kvantdatorer till en som enbart består av processorer med 127 qubits eller mer”, säger forskarna.
Som ett resultat av detta arbete meddelar IBM att dess IBM Quantum-system som körs både i molnet och på plats hos partner kommer att drivas av minst 127 qubits, vilket kommer att ske under loppet av nästa år.
”Dessa processorer ger tillgång till beräkningskraft som är tillräckligt stor för att överträffa klassiska metoder för vissa tillämpningar och kommer att erbjuda förbättrade koherenstider samt lägre felfrekvenser jämfört med tidigare IBM-kvantsystem”, säger forskarna.
”Sådana egenskaper kan kombineras med kontinuerligt förbättrade tekniker för felreducering för att göra det möjligt för IBM Quantum-system att nå en ny nivå för branschen, som IBM har kallat ’utility-scale’, en punkt där kvantdatorer kan fungera som vetenskapliga verktyg för att utforska en ny skala av problem som klassiska system kanske aldrig kommer att kunna lösa.”
IBM fortsätter att göra framsteg med den färdplan för kvantdatorer som företaget lade fram förra hösten. Bland de långsiktiga målen finns utvecklingen av ett system med över 4 000 kvantbitar som byggs med kluster av kvantprocessorer till år 2025, samt utvecklingen av programvara som kan styra kvantsystem och koppla ihop dem i nätverk samtidigt som fel elimineras.
Vid IBM Quantum Summit 2022 berättade företaget att man fortsätter utvecklingen av en modulär kvantplattform kallad System Two som ska kombinera flera processorer i ett enda system och använda hybrid-cloud middleware för att integrera kvantmekaniska och klassiska arbetsflöden.