Αυτοεπισκευαζόμενοι κβαντικοί υπολογιστές: Χωρίς σφάλματα και ανεκτικοί σε σφάλματα

• Συγγραφέας:
• όνομα συγγραφέα

  Quantumrun Foresight
• Φεβρουάριος 14, 2023

Περίληψη Insight

Ο κβαντικός υπολογισμός αντιπροσωπεύει μια αλλαγή παραδείγματος στην επεξεργασία υπολογιστών. Αυτά τα συστήματα έχουν τη δυνατότητα να λύσουν πολύπλοκους υπολογισμούς μέσα σε λίγα λεπτά που θα χρειάζονταν οι κλασικοί υπολογιστές χρόνια, μερικές φορές αιώνες, για να πραγματοποιηθούν. Ωστόσο, το πρώτο βήμα για την ενεργοποίηση του πλήρους δυναμικού των κβαντικών τεχνολογιών είναι η διασφάλιση ότι μπορούν να επισκευάσουν μόνοι τους τα αποτελέσματά τους.

Κβαντικό υπολογιστικό πλαίσιο αυτοεπιδιόρθωσης

Το 2019, το τσιπ Google Sycamore, που περιείχε 54 qubits, ήταν σε θέση να εκτελέσει έναν υπολογισμό σε 200 δευτερόλεπτα που κανονικά θα χρειαζόταν ένας κλασικός υπολογιστής 10,000 χρόνια για να ολοκληρωθεί. Αυτό το επίτευγμα ήταν ο καταλύτης της κβαντικής υπεροχής της Google, που έλαβε παγκόσμια αναγνώριση ως σημαντική ανακάλυψη στον κβαντικό υπολογισμό. Στη συνέχεια, αυτό οδήγησε σε περαιτέρω έρευνα και προόδους στο πεδίο.

Το 2021, η Sycamore έκανε ένα ακόμη βήμα μπροστά, δείχνοντας ότι μπορεί να διορθώσει υπολογιστικά λάθη. Ωστόσο, η ίδια η διαδικασία εισήγαγε νέα σφάλματα στη συνέχεια. Ένα σύνηθες πρόβλημα στον κβαντικό υπολογισμό είναι ότι τα ποσοστά ακρίβειας των υπολογισμών τους εξακολουθούν να λείπουν σε σύγκριση με τα κλασικά συστήματα. 

Οι υπολογιστές που χρησιμοποιούν bit (δυαδικά ψηφία, τα οποία είναι η μικρότερη μονάδα δεδομένων υπολογιστή) με δύο πιθανές καταστάσεις (0 και 1) για την αποθήκευση δεδομένων διαθέτουν διόρθωση σφαλμάτων ως τυπικό χαρακτηριστικό. Όταν ένα bit γίνεται 0 αντί για 1 ή αντίστροφα, αυτό το είδος λάθους μπορεί να συλληφθεί και να διορθωθεί.

Η πρόκληση στον κβαντικό υπολογισμό είναι πιο περίπλοκη καθώς κάθε κβαντικό bit, ή qubit, υπάρχει ταυτόχρονα σε κατάσταση 0 και 1. Εάν επιχειρήσετε να μετρήσετε την τιμή τους, τα δεδομένα θα χαθούν. Μια μακροχρόνια πιθανή λύση ήταν η ομαδοποίηση πολλών φυσικών qubit σε ένα "λογικό qubit" (qubits που ελέγχονται από κβαντικούς αλγόριθμους). Παρόλο που υπήρχαν λογικά qubits στο παρελθόν, δεν χρησιμοποιήθηκαν για τη διόρθωση σφαλμάτων.

Αποδιοργανωτικός αντίκτυπος

Αρκετά ερευνητικά ιδρύματα και εργαστήρια τεχνητής νοημοσύνης έχουν μελετήσει πώς να φτιάξουν λογικά qubits που μπορούν να διορθωθούν μόνοι τους. Για παράδειγμα, το Πανεπιστήμιο Duke και το Joint Quantum Institute με έδρα τις ΗΠΑ δημιούργησαν ένα λογικό qubit που λειτουργεί ως ενιαία μονάδα το 2021. Βασίζοντάς το σε έναν κώδικα διόρθωσης κβαντικού σφάλματος, τα σφάλματα μπορούν να εντοπιστούν και να διορθωθούν πιο εύκολα. Επιπλέον, η ομάδα έκανε το qubit ανεκτικό σε σφάλματα ώστε να περιέχει τυχόν αρνητικές επιπτώσεις από τα εν λόγω σφάλματα. Αυτό το αποτέλεσμα ήταν η πρώτη φορά που ένα λογικό qubit αποδείχθηκε πιο αξιόπιστο από οποιοδήποτε άλλο απαραίτητο βήμα στη δημιουργία του.

Χρησιμοποιώντας το σύστημα παγίδας ιόντων του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ, η ομάδα κατάφερε να ψύξει έως και 32 μεμονωμένα άτομα με λέιζερ πριν τα αιωρήσει πάνω από ηλεκτρόδια σε ένα τσιπ. Χειρίζοντας κάθε άτομο με λέιζερ, μπόρεσαν να το χρησιμοποιήσουν ως qubit. Οι ερευνητές απέδειξαν ότι τα καινοτόμα σχέδια θα μπορούσαν να απαλλάξουν μια μέρα τον κβαντικό υπολογισμό από την τρέχουσα κατάσταση σφαλμάτων. Τα ανεκτικά σε σφάλματα λογικά qubits μπορούν να αντιμετωπίσουν τα ελαττώματα των σύγχρονων qubits και θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη ραχοκοκαλιά αξιόπιστων κβαντικών υπολογιστών για εφαρμογές πραγματικού κόσμου.

Χωρίς αυτοδιορθωμένους ή αυτοεπιδιορθούμενους κβαντικούς υπολογιστές, θα ήταν αδύνατο να κατασκευαστούν συστήματα τεχνητής νοημοσύνης (AI) που να είναι ακριβή, διαφανή και ηθικά. Αυτοί οι αλγόριθμοι απαιτούν μεγάλες ποσότητες δεδομένων και υπολογιστική ισχύ για να εκπληρώσουν τις δυνατότητές τους, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας αυτόνομων οχημάτων ασφαλών και ψηφιακών δίδυμων που μπορούν να υποστηρίξουν συσκευές Internet of Things (IoT).

Επιπτώσεις της αυτοεπιδιόρθωσης κβαντικών υπολογιστών

Οι ευρύτερες επιπτώσεις των επενδύσεων σε κβαντικούς υπολογιστές που επισκευάζονται μόνοι τους μπορεί να περιλαμβάνουν: 

• Ανάπτυξη κβαντικών συστημάτων που μπορούν να επεξεργάζονται μεγαλύτερους όγκους δεδομένων ενώ ταυτόχρονα εντοπίζουν λάθη σε πραγματικό χρόνο.
• Ερευνητές αναπτύσσουν αυτόνομα κβαντικά συστήματα που όχι μόνο μπορούν να αυτοεπισκευαστούν αλλά και να αυτοδοκιμαστούν.
• Αυξημένη χρηματοδότηση για την κβαντική έρευνα και την ανάπτυξη μικροτσίπ για τη δημιουργία υπολογιστών που μπορούν να επεξεργαστούν δισεκατομμύρια πληροφορίες αλλά απαιτούν λιγότερη ενέργεια.
• Κβαντικοί υπολογιστές που μπορούν να υποστηρίξουν αξιόπιστα πιο περίπλοκες διαδικασίες, συμπεριλαμβανομένων των δικτύων κυκλοφορίας και των πλήρως αυτοματοποιημένων εργοστασίων.
• Η πλήρης βιομηχανική εφαρμογή των κβαντικών υπολογιστών σε όλους τους τομείς. Αυτό το σενάριο θα καταστεί δυνατό μόνο όταν οι εταιρείες αισθάνονται αρκετή σιγουριά για την ακρίβεια των εκροών κβαντικών υπολογιστών ώστε να καθοδηγούν τη λήψη αποφάσεων ή να λειτουργούν συστήματα υψηλής αξίας.

Ερωτήσεις προς εξέταση

• Ποια είναι τα άλλα πιθανά οφέλη των σταθερών κβαντικών υπολογιστών;
• Πώς μπορεί να επηρεάσουν τέτοιες τεχνολογίες τη δουλειά σας στο μέλλον;