IBM og University of Chicago viser «verifisert kvantefortrinn»

70 logiske kvantebiter på en Heron-prosessor

Forsøket ble kjørt på en IBM Quantum Heron-prosessor. Forskerne kodet 70 logiske kvantebiter, altså kvantebiter som er beskyttet mot feil ved hjelp av flere fysiske kvantebiter og feilkorrigering .

Kretsen gjennomførte:

• 2 415 logiske operasjoner på to kvantebiter
• 468 logiske T-porter, en viktig type operasjon for universelle kvanteberegninger
• en beregning som tok rundt 15 minutter
• en logisk feilrate som var omtrent ti ganger lavere enn feilraten i de underliggende fysiske kvantebitene

IBM og University of Chicago opplyser at tilsvarende klassisk simulering ville kreve så mye tid og datakraft at den ikke er praktisk gjennomførbar med dagens ledende metoder . Kretsene og resultatene er publisert i IBMs Quantum Advantage Tracker, og forskerne har invitert andre miljøer til å undersøke og eventuelt tilbakevise funnene .

Slik skulle forskerne kontrollere svaret

Hovedideen er en metode kalt en romtidskode («spacetime code»). Den er utviklet som et strukturert alternativ til den mer tilfeldige metoden random circuit sampling, som har vært brukt i tidligere demonstrasjoner av kvantefortrinn .

Forskerne bygget i hovedsak kretsen med Clifford-porter. Denne typen porter er relativt enkle å simulere klassisk og egner seg for feildeteksjon. Deretter la de inn T-porter på nøye utvalgte steder. T-portene gjør beregningen vanskeligere å simulere, men plasseringen skulle samtidig bevare kretsens evne til å oppdage feil .

Dermed kunne systemet lete etter feil under selve beregningen, i stedet for å være avhengig av at en klassisk datamaskin kontrollerte svaret i etterkant . Forskerne beregnet en nedre grense for beregningens såkalte fidelitet på 0,284, med 95 prosent statistisk konfidens . Ifølge forskerne er dette første gang et kvantefortrinnsforsøk har gitt en matematisk begrunnet grense for hvor korrekt beregningen ble utført .

Metoden har imidlertid en høy pris. For å få til feildeteksjonen måtte teamet gjennomføre rundt 860 ganger så mange eksperimentelle kjøringer som normalt, og bare om lag 28 prosent av kjøringene passerte filteret . Det er en betydelig utfordring dersom teknologien skal skaleres til praktiske problemer.

Tre forskningsartikler – og flere forbehold

IBM samordnet kunngjøringen av tre forhåndspubliserte artikler på arXiv, lagt ut 27. og 28. juli. De brukte ulike metoder for å bygge tillit til kvanteberegninger som er vanskelige å kontrollere med klassiske maskiner .

• IBM og University of Chicago sto bak forsøket med de 70 logiske kvantebitene.
• IBM og Qedma brukte programvaren QESEM for feildemping og studerte langvarig dynamikk i systemer med opptil 74 kvantebiter. Resultatene ble sammenlignet med klassiske simuleringer fra RIKEN og BlueQubit samt maskinvarekontroller på Quantinuum .
• IBM og Algorithmiq demonstrerte en beregning knyttet til simulering av et heterogent kvantemateriale, et problem som hadde stått på IBMs Quantum Advantage Tracker i åtte måneder .

Eksterne forskere har samtidig påpekt at Qedma- og Algorithmiq-artiklene ikke uttrykkelig hevdet kvantefortrinn. De beskrev snarere resultater som viste at klassisk simulering er vanskelig . Alle de tre artiklene er fortsatt forhåndspubliserte og har ikke gjennomgått fagfellevurdering .

Skepsis er fortsatt en del av bildet

Påstanden må derfor tåle uavhengig kontroll før den kan regnes som endelig etablert. Den mangeårige kvantedatabehandlingskritikeren Gil Kalai har blant annet argumentert for at støy fortsatt kan svekke resultatene .

Også den store feildeteksjonskostnaden er en reell begrensning. At 860 ganger så mange kjøringer trengs, viser at metoden foreløpig er langt fra en enkel løsning for kommersielle anvendelser . IBM forsøker på sin side å møte innvendingene ved å gjøre data, kretser og metoder offentlig tilgjengelige og invitere andre forskere til å utfordre konklusjonene .

IBM ser milliardmuligheter

Den tekniske kunngjøringen kom samtidig med tydelige økonomiske forventninger fra IBM-sjef Arvind Krishna. I et intervju med CNBC sa han at kvantedatabehandling kan få en «målbar effekt» på IBMs inntekter og resultat i 2028 eller 2029 .

Krishna sa også at IBM er «ganske overbevist» om at kvantedatabehandling kan skape verdier på én billion dollar innen utgangen av 2030-årene . Dette er IBMs egen prognose, ikke en uavhengig verdivurdering.

IBM kunngjorde i juni at selskapet planlegger å investere over 10 milliarder dollar i kvantedatabehandling de neste fem årene. Pengene skal blant annet gå til forskning og utvikling, produksjon, feilkorrigering, programvare og partnerskap i økosystemet . Selskapet sier samtidig at det ligger an til å levere en storskala, feiltolerant kvantedatamaskin innen 2029 .

En planlagt, separat fabrikk for produksjon av kvantebrikker støttes delvis av en forpliktelse på 1 milliard dollar fra USAs handelsdepartement .

Hva betyr gjennombruddet?

Dersom resultatene består fagfellevurdering og uavhengig kontroll, kan dette bli den mest overbevisende dokumentasjonen hittil på at kvantehardware har passert en viktig terskel. Kombinasjonen av en klassisk vanskelig beregning og en statistisk begrunnet kontroll av resultatet svarer på det grunnleggende tillitsproblemet som har fulgt feltet siden Googles Sycamore-forsøk i 2019.

Men dette er ikke det samme som at kvantedatamaskiner allerede er klare til å erstatte dagens superdatamaskiner. Problemet var spesialdesignet for å være vanskelig å simulere, feildeteksjonen krevde svært mange ekstra kjøringer, og forskningsartiklene er ennå ikke fagfellevurdert. Det mest presise bildet er derfor at kvanteberegning beveger seg fra demonstrasjoner av mulig fart mot beregninger som også kan kontrolleres og stoles på.