Quantumrun

BILLEDKREDIT:

iStock

Selvreparerende kvantecomputere: Fejlfri og fejltolerant

Forskere søger måder at skabe kvantesystemer, der er fejlfri og fejltolerante til at bygge den næste generation af teknologier.

Forfatter:
Forfatter navn
Quantumrun Foresight
Februar 14, 2023

Oversigt over indsigt

Quantum computing repræsenterer et paradigmeskift i computerbehandling. Disse systemer har potentialet til at løse komplekse beregninger i løbet af få minutter, som det ville tage klassiske computere år, nogle gange århundreder, at udføre. Men det første skridt i at muliggøre kvanteteknologiernes fulde potentiale er at sikre, at de selv kan reparere deres output.

Selvreparerende kvantecomputerkontekst

I 2019 var Google Sycamore-chippen, der indeholdt 54 qubits, i stand til at udføre en beregning på 200 sekunder, hvilket normalt ville tage en klassisk computer 10,000 år at afslutte. Denne præstation var katalysatoren for Googles kvanteoverherredømme, der modtog verdensomspændende anerkendelse som et stort gennembrud inden for kvanteberegning. Efterfølgende har dette affødt yderligere forskning og fremskridt inden for området.

I 2021 tog Sycamore endnu et skridt fremad ved at demonstrere, at det kan rette beregningsfejl. Men selve processen introducerede nye fejl bagefter. Et sædvanligt problem i kvanteberegning er, at deres beregningers nøjagtighedshastigheder stadig mangler sammenlignet med klassiske systemer.

Computere, der bruger bits (binære cifre, som er den mindste enhed af computerdata) med to mulige tilstande (0 og 1) til at lagre data, er udstyret med fejlkorrektion som en standardfunktion. Når en bit bliver 0 i stedet for 1 eller omvendt, kan denne type fejl fanges og rettes.

Udfordringen i kvanteberegning er mere indviklet, da hver kvantebit eller qubit eksisterer samtidigt i en tilstand på 0 og 1. Hvis du forsøger at måle deres værdi, vil dataene gå tabt. En langvarig potentiel løsning har været at gruppere mange fysiske qubits i én "logisk qubit" (qubits, der styres af kvantealgoritmer). Selvom logiske qubits har eksisteret før, blev de ikke brugt til fejlkorrektion.

Forstyrrende påvirkning

Adskillige forskningsinstitutioner og AI-laboratorier har undersøgt, hvordan man laver logiske qubits, der kan selvkorrigere. For eksempel skabte USA-baserede Duke University og Joint Quantum Institute en logisk qubit, der fungerer som en enkelt enhed i 2021. Ved at basere den på en kvantefejlkorrektionskode, kan fejl lettere opdages og rettes. Derudover gjorde holdet qubit-fejltolerant til at indeholde eventuelle negative effekter fra nævnte fejl. Dette resultat var første gang, en logisk qubit viste sig at være mere pålidelig end noget andet påkrævet trin i dets oprettelse.

Ved hjælp af University of Marylands ionfældesystem var holdet i stand til at afkøle op til 32 individuelle atomer med lasere, før de suspenderede dem over elektroder på en chip. Ved at manipulere hvert atom med lasere var de i stand til at bruge det som en qubit. Forskerne har vist, at innovative designs kan frigøre kvantedatabehandling en dag fra dens nuværende fejltilstand. Fejltolerante logiske qubits kan omgå fejlene i moderne qubits og kan være rygraden i pålidelige kvantecomputere til applikationer i den virkelige verden.

Uden selvkorrigerende eller selvreparerende kvantecomputere ville det være umuligt at lave kunstig intelligens (AI) systemer, der er nøjagtige, gennemsigtige og etiske. Disse algoritmer kræver store mængder data og computerkraft for at opfylde deres potentiale, herunder at gøre autonome køretøjer sikre og digitale tvillinger, der kan understøtte Internet of Things (IoT) enheder.

Implikationer af selvreparerende kvantecomputere

Bredere implikationer af investeringer i selvreparerende kvantecomputere kan omfatte:

Udvikling af kvantesystemer, der kan behandle større mængder data og samtidig fange fejl i realtid.
Forskere udvikler autonome kvantesystemer, der ikke kun kan selvreparere, men selvteste.
Øgede midler til kvanteforskning og udvikling af mikrochips for at skabe computere, der kan behandle milliarder af information, men kræver mindre energi.
Kvantecomputere, der pålideligt kan understøtte mere komplekse processer, herunder trafiknetværk og fuldt automatiserede fabrikker.
Den fulde industriel anvendelse af kvanteberegning på tværs af alle sektorer. Dette scenarie vil først blive muligt, når virksomheder føler sig sikre nok i nøjagtigheden af kvanteberegningsoutput til at vejlede beslutningstagningen eller til at drive systemer med høj værdi.