Quantencomputing steht kurz davor, die digitale Revolution in neue Höhen zu katapultieren.
Die turbogeladene Verarbeitung verspricht eine sofortige Diagnose von Gesundheitsbeschwerden und eine schnelle Entwicklung neuer Medikamente. die Reaktionszeit in KI-Systemen für zeitkritische Vorgänge wie autonomes Fahren und Raumfahrt erheblich beschleunigt; Optimierung der Verkehrskontrolle in überlasteten Städten; Unterstützung von Flugzeugen bei der besseren Bewältigung extremer Turbulenzen; Beschleunigung der Wettervorhersage, um Orte besser auf potenzielle Katastrophen vorzubereiten, und Optimierung von Lieferkettensystemen für effizientere Lieferzeiten und Kosteneinsparungen.
Aber wir sind noch nicht am Ziel. Eines der größten Hindernisse für Quantenoperationen ist die Fehlerkorrektur.
Der Preis für schnellere Operationen in Quantensystemen ist eine höhere Fehlerrate. Quantencomputer sind sehr anfällig für Rauschen wie elektromagnetische Signale, Temperaturänderungen und Störungen im Erdmagnetfeld. Solches Rauschen löst Fehler aus.
Qubits, die besonderen Komponenten des Quantencomputings, sind selbst fehleranfällig. Fehler bei Frequenzen, Energieniveaus und Kopplungsstärke können zu Fehlberechnungen führen.
Im Gegensatz zu Standard-Computerbits, die die meiste Zeit zuverlässig kopiert werden, können Qubits naturgemäß nicht ohne Fehler geklont werden. Bits speichern leicht replizierbare binäre Ziffernzustände, während Qubits Daten in einem komplexen mathematischen Quantenzustand speichern, der beim Kopieren gestört werden kann. Darüber hinaus altern Qubits schnell und eine Verschlechterung kann zu Fehlern führen.
Forscher von IBM Quantum geben an, ein System entwickelt zu haben, das die Fehlererkennung im Quantencomputing erheblich verbessert. In einem Online-Beitrag vom 28. August erklärten sie die Herausforderung: „Die standardmäßige klassische Fehlerkorrektur muss nur Bit-Flip-Fehler korrigieren“, sagte IBM-Forscher Sergey Bravyi.
„Quantencomputer müssen weitere Arten von Fehlern korrigieren, wie zum Beispiel Phasenfehler, die die zusätzlichen Quanteninformationen, die Qubits tragen, verfälschen können … Techniken müssen.“ [also] Korrigieren Sie Fehler, ohne unbekannte Quantenzustände kopieren zu können und ohne den zugrunde liegenden Quantenzustand zu zerstören.
In ihrer Forschungsarbeit beschrieben IBM-Forscher einen Prozess, der ihrer Meinung nach das erforderliche Arsenal, das derzeit im Quantencomputing zum Erkennen von Fehlern verwendet wird, erheblich reduziert.
Standardmäßige Computeroberflächencodes werden seit langem erfolgreich zur Fehlerkorrektur eingesetzt. Dabei handelt es sich um zweidimensionale Gitter, die einem Schachbrett ähneln. Eine effiziente Fehlerkorrektur für Qubits ist eine größere Herausforderung.
Bravyi sagt, viele Experten schätzen, dass fehlertolerantes Quantencomputing Millionen von Qubits erfordern würde, „eine Zahl, die unserer Meinung nach zu groß ist, um in diesem Entwicklungsstadium praktisch zu sein.“
Die Lösung von IBM, verbesserter Code und eine Neugestaltung der Qubit-Platzierung, erzielt Ergebnisse, die ein Zehntel der Anzahl physischer Qubits erfordern, die derzeit zur Fehlerkorrektur verwendet werden.
„Die praktische Fehlerkorrektur ist noch lange kein gelöstes Problem“, räumten die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „Fehlertoleranter Quantenspeicher mit hohem Schwellenwert und geringem Overhead“ ein, der am 15. August auf dem Preprint-Server veröffentlicht wurde arXiv.
„Diese neuen Codes und andere Fortschritte auf diesem Gebiet stärken jedoch unsere Zuversicht, dass fehlertolerantes Quantencomputing nicht nur möglich ist, sondern auch möglich ist, ohne dass ein unverhältnismäßig großer Quantencomputer gebaut werden muss.“
Ihr Ansatz funktioniert derzeit nur auf dem Quantenspeicher und nicht auf der Rechenleistung.
„Diese Techniken sind ein Sprungbrett in die Welt des fehlertoleranten Rechnens“, sagt Bravyi, „und dieser neue … Code bringt diese Welt näher. Es ist ein vielversprechendes Ergebnis, das uns zeigt, wo wir als nächstes nach noch besseren Fehlerkorrekturcodes suchen sollten.“ “
Mehr Informationen:
Sergey Bravyi et al., Fehlertoleranter Quantenspeicher mit hohem Schwellenwert und geringem Overhead, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2308.07915
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