Microsoft и Atom Computing постигнаха сериозен напредък в областта на надеждните квантови изчисления, като създадоха и вплетоха 24 логически кубита, базирани на неутрални атоми.
В допълнение, те демонстрираха възможността за откриване и коригиране на грешки, както и извършването на изчисления с 28 логически кубита.
Двете компании представиха комерсиална квантова машина, изградена с помощта на най-модерните логически кубити и системата за виртуализация на кубити на Microsoft, напълно интегрирана с Azure Elements. Тази нова платформа е вече налична за поръчка с първи доставки през 2025 г.
Кубити, базирани на неутрални атоми
В квантовите изчисления съществуват различни типове физически кубити, но не всички от тях позволяват ефективна корекция на грешките, което е ключов фактор за надеждността на квантовите компютри. Без надеждни кубити постигането на квантово предимство – способността на квантовите компютри да решават задачи, невъзможни за класическите – остава недостижимо.
Atom Computing използва неутрални атоми като кубити, обработвайки информацията чрез импулси от светлина. Тази технология има няколко предимства пред други подходи:
- Кубитите могат да бъдат разположени в плътни масиви и задържани с помощта на лазери.
- Неутралните атоми могат да бъдат пренареждани, което позволява гъвкави квантови връзки между тях.
- Те имат нисък праг на шум и висока прецизност, което ги прави идеални за квантова корекция на грешки.
- Благодарение на липсата на електрически заряд, тези кубити могат да бъдат изключително близо един до друг, което води до по-добра мащабируемост.
Atom Computing наскоро обявиха, че са постигнали 99.6% точност на дву-кубитовите операции, което е най-високата надеждност за комерсиална система с неутрални атоми и дава възможност за ефективна корекция на грешки.
Как работи квантовата платформа на Azure?
За да направят квантовите изчисления по-надеждни, Microsoft разработиха Azure Quantum compute platform. Тази платформа комбинира системата за виртуализация на кубити на Microsoft с квантовите процесори (QPU) на хардуерни партньори.
Основната цел на тази система е да открива и коригира грешките, присъщи на физическите кубити, което прави квантовите изчисления по-ефективни. Microsoft използва своя иновативен метод за квантова корекция на грешки, който може да се приложи към различни типове квантови процесори.
Създаване и вплитане на логически кубити
За да бъдат използвани за реални изчисления, кубитите трябва да отговарят на няколко важни критерия:
- Физическите кубити трябва да имат ниски нива на грешки, за да могат да се използват за създаване на надеждни логически кубити.
- Логическите кубити трябва да могат да бъдат вплетени (entangled) и да издържат на множество изчислителни операции без загуба на информация.
Използвайки виртуализационната система на Microsoft върху кубитите на Atom Computing, екипът създаде 24 логически кубита, които бяха вплетени в котешко състояние (Cat state или GHZ state) – най-големият брой вплетени логически кубити, регистриран досега.
Това беше доказано чрез анализ на грешковите нива на кубитите, които останаха значително под 50% – прага за загуба на квантова свързаност.
За тези, които ще педположат, че няма място за котки тук икакво е това котешко състояние, ще направим кратко отклонение, за да поясним:
Cat state (Състояние на котка) е специфичен вид квантово заплетено състояние, което е частен случай на Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state. Това е състояние, при което множество кубити са заплетени в такъв начин, че тяхната колективна вълнова функция е суперпозиция на два противоположни сценария.
Какво означава “Cat State”?
Терминът „Cat State“ идва от мисловния експеримент на Шрьодингер с котката, която е едновременно жива и мъртва, докато не бъде наблюдавана. В квантовата механика това означава, че системата съществува в суперпозиция на множество състояния едновременно, докато не бъде измерена.
В контекста на квантовите изчисления, когато n кубита са в „Cat State“, те могат да приемат две различни състояния едновременно, например:
Това означава, че всички кубити в системата са корелирани, така че измерването на един от тях моментално определя състоянието на всички останали.
Защо GHZ (Cat State) е важно в квантовите изчисления?
- Доказателство за мащабируемо квантово заплитане – Колкото повече кубити са заплетени в GHZ състояние, толкова по-мощна е квантовата система.
- По-добра корекция на грешки – Квантовите компютри използват заплетени състояния за коригиране на грешки, които възникват по време на изчисления.
- Криптографски приложения – GHZ състояния са основа за квантова телепортация и квантово разпределение на ключове (QKD).
- Подобрена квантова комуникация – Те позволяват по-добра защита на данните при квантови мрежи.
Какво направи Microsoft с “Cat State”?
Microsoft използва qubit-virtualization system в партньорство с Atom Computing, за да създаде 24 логически кубита, които бяха вплетени в GHZ състояние. Това е най-големият брой вплетени логически кубити в комерсиална система досега.
Основното доказателство за успешното заплитане е намаленият процент грешки, който е значително под 50%, което показва стабилност и надеждност на системата.
В заключение за Cat State
“Cat State” е ключов инструмент за развитие на квантовите компютри, като осигурява мощни криптографски, комуникационни и изчислителни възможности. Microsoft и Atom Computing демонстрират важен пробив, като създават голямо количество заплетени логически кубити, което ще ускори развитието на по-мащабируеми и ефективни квантови системи.
Корекция на грешки и квантова стабилност
Когато се използват неутрални атоми като кубити, понякога е възможно някои атоми да се изгубят, което съответно води и до загуба на информация. Екипите на Microsoft и Atom Computing разработиха механизми за откриване и коригиране на тези грешки, което значително подобрява точността на квантовите изчисления.
След прилагането на системата за корекция на грешки:
- Грешковият процент на логическите кубити спадна до 10.2% (4.1 пъти по-добре от първоначалния 42%).
- След корекция на загубите и грешките, логическите кубити достигнаха 26.6% точност, което е 1.6 пъти по-добре от физическите кубити.
Това е първата успешна демонстрация на корекция на загуби в комерсиална система с неутрални атоми.
Комерсиалното предложение на Microsoft и Atom Computing
Новата квантова система, разработена от Microsoft и Atom Computing, представлява надеждна квантова машина, която:
- Използва хардуера на Atom Computing с неутрални атоми.
- Включва виртуализационната система за кубити на Microsoft.
- Е напълно интегрирана с Azure Elements.
Тази платформа комбинира квантови изчисления, високопроизводителни изчисления (HPC) и изкуствен интелект, което я прави полезна за научни изследвания в химията, материалознанието и други индустрии.
Azure Elements дава възможност за:
- Генеративна химия – използване на генеративен AI за откриване на нови молекули.
- Моделиране на квантово-механични свойства чрез DFT (density functional theory).
Тази нова система ще даде възможност на учените не само да изследват квантовите приложения, но и да създават нови бази данни, които могат да се използват за обучение на AI модели.
Заключение
„Радваме се да продължим сътрудничеството си с Microsoft, което доведе до значителен напредък в квантовите изчисления. Чрез комбиниране на нашите кубити с неутрални атоми със системата за виртуализация на Microsoft, вече можем да предложим надеждни логически кубити в комерсиална квантова машина. Тази система ще ускори научния напредък в множество области, включително химия и материалознание.“
— Д-р Бен Блум, основател и главен изпълнителен директор на Atom Computing
