Zusammenfassung:
Google gab bekannt, dass das Quantum Artificial Intelligence-Team von Google einen wichtigen Engpass im Quantencomputing erfolgreich überwunden hat: Es hat gezeigt, dass die „Magic State Cultivation“-Lösung auf dem Willow-Prozessor machbar ist und der Fehler im Vergleich zum Verzicht auf diese Technologie um etwa das 40-fache reduziert ist. Dieses bahnbrechende Ergebnis wurde heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht und ist ein wichtiger Schritt zur Förderung der groß angelegten praktischen Anwendung des Quantencomputings.
Magischer Engpass
Bereits im Jahr 2004, lange bevor Quantencomputer zu einer praktischen technischen Richtung wurden, sagten Forscher einen heiklen Engpass voraus.
Möchten
universelles Quantencomputing
realisieren Um ein Programm von praktischem Wert auszuführen, muss es in der Lage sein, einen bestimmten Satz von Quantenoperationen auszuführen. Dies wird erreicht, indem zunächst sogenannte „magische Zustände“ vorbereitet werden, weil diese Quantenzustände Quantenoperationen erzeugen können, die über die für klassische Berechnungen erforderlichen hinausgehen.Aber hier gibt es ein Problem: Die Herstellung hochwertiger, fehlerkorrigierter Monster ist äußerst ressourcenintensiv. Einige Schätzungen zeigen, dass ein Quantencomputer bis zu 95 % seiner gesamten Rechenleistung für die Erzeugung magischer Zustände verwenden kann, sodass nur sehr wenige Ressourcen für tatsächliche Berechnungen übrig bleiben. Es gibt noch eine weitere Schwierigkeit: Sobald der magische Zustand verwendet wird, kann er nicht wiederverwendet werden und ist eine knappe Ressource.
Daher haben wissenschaftliche Forscher in den letzten zwei Jahrzehnten die Ressourcenkosten für die Vorbereitung magischer Zustände kontinuierlich gesenkt.
Wie gelingt Ihnen dieser Durchbruch?
Im Jahr 2024 griffen die Google Quantum AI-Forscher Craig Gidney, Noah Schulti und Cody Jones Ideen aus der Literatur auf und optimierten sie, um das zu entwickeln, was heute
Magic State Cultivation
genannt wird Technologie. Es wird erwartet, dass dieses Programm den Ressourcenverbrauch deutlich reduzieren wird. Der Kerngedanke ist: Der Kultivierungsprozess ist wie ein Filter. Verrauschte Quantenzustände werden in einen kleinen Bereich des Quantenchips injiziert und anschließend wird eine Reihe hochkoordinierter Messungen durchgeführt, um Fehler zu beheben und unqualifizierte Proben zu eliminieren. Craigs Team bewies, dass es mit dieser Methode möglich ist, Quantenzustände mit extrem hoher Reinheit und geringem Fehler zu „kultivieren“ und sie gleichzeitig in größere und praktische Codierungsformen umzuwandeln.Diese Lösung liefert hervorragende theoretische Ergebnisse. Wenn es auf Quantenhardware implementiert werden kann, kann es den Umfang der für praktische Aufgaben erforderlichen Quantencomputer erheblich reduzieren.
Wie viele neue Technologieforschungen und -entwicklungen erfordert die Projektumsetzung eine Reihe technologischer Innovationen und technischer Forschung.
Ein Beispiel: Beim ersten Testen des Kultivierungsprotokolls beobachtete die Quanten-KI-Forscherin von Google, Emma Rosenfield, Daten, die den Gesetzen der Physik zu widersprechen schienen. Nach Monaten der Fehlerbehebung, Simulationen, Diskussionen unter Kollegen und Konsistenzprüfungen stellte sie fest, dass das Problem auf falschen Annahmen in den häufig verwendeten Messmethoden des Teams beruhte. Insbesondere beeinträchtigt eine Art von Rauschen, das durch Drift und Temperaturschwankungen in elektrischen Laborgeräten verursacht wird, die Gültigkeit von Benchmark-Testergebnissen. Das Team muss gleichzeitig den theoretischen Rahmen und die technischen Pläne anpassen. Das Forschungsteam fügte dem System zusätzliche Kontrollmethoden hinzu, um die Auswirkungen des Lärms abzuschwächen. Außerdem wurde eine Reihe von Benchmark-Testmethoden entwickelt, um die Technologie selbst als Messinstrument zu nutzen und das Problem von Grund auf zu lösen.
Aufgrund dieser Errungenschaft und weiterer Algorithmeninnovationen und technischer Lösungen hat Google die Quantenmesstechnologie auf ein neues Spitzenniveau gebracht. Auf dem Willow-Prozessor von Google Quantum AI erreicht dieses Protokoll eine bis zu 40-fache Fehlerkomprimierung im Vergleich zu Quantenzuständen ohne Kultivierungsverarbeitung; Die resultierende T-State-Logiktreue erreicht einen Rekordwert von 99,99 %.
Dieses Ergebnis wurde jetzt in Science veröffentlicht. Es ist das erste Mal, dass eine praktikable Lösung für einen der gravierendsten Ressourcenengpässe im Quantencomputing demonstriert wird, und beweist auf realer Hardware, dass Google diesen wichtigen magischen Zustand effizient vorbereiten kann.
Forschungsergebnisse und Zukunftsaussichten
Google hat außerdem zunächst bestätigt, dass die von Craig und anderen vorgeschlagene Theorie an seine Quantencomputerarchitektur angepasst werden kann. Das Team realisierte den Wechsel zwischen „Farbcode“ (einem neuen Typ von Quantenfehlerkorrekturcode, der sich sehr gut für die Kultivierung magischer Zustände eignet) und „Oberflächencode“ (einem ausgereifteren Fehlerkorrekturschema), indem es den Farbcode-Quantenzustand mit einem Abstand von 3 auf den Oberflächencode mit einem Abstand von 5 aufpfropfte. Dieses Pfropfprotokoll stammt erstmals aus einer theoretischen Arbeit im Jahr 2024. Dieses Experiment bestätigte, dass der gereinigte Quantenzustand stabil überleben und reibungslos in der Hardware übertragen werden kann.
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