การจัดการกับข้อผิดพลาดในการคำนวณควอนตัม

RPA

คอมพิวเตอร์ควอนตัมสัญญาว่าจะเปิดความสามารถใหม่ในด้านของการถอดรหัสและการจำลองที่ไม่สามารถทำได้ในคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน และเมื่อทำจริง การปรับปรุงประสิทธิภาพจะเกิดจากหน่วยข้อมูลพื้นฐาน: คิวบิต Qubits เป็นระบบสองระดับที่ปฏิบัติตามกฎหมายของกลศาสตร์ควอนตัม ลองนึกภาพการจำลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยใช้แนวทางในปัจจุบันเพื่อสร้างระบบคอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก หากคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถสร้างได้เพียง 50 qubits ก็ไม่มีซูเปอร์คอมพิวเตอร์รุ่น Top500 ในปัจจุบันที่สามารถเลียนแบบได้สำเร็จ จอกศักดิ์สิทธิ์ของแอปพลิเคชันควอนตัมคือการทำงานต่างๆ เช่น การแยกตัวประกอบจำนวนมากและการจำลองระบบควอนตัมที่ซับซ้อน ปัญหาที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันทำได้ยาก

ระบบจัดการภายใน

แต่เช่นเดียวกับเครื่องจักรในปัจจุบัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมประสบข้อผิดพลาด และที่แย่กว่านั้น ข้อผิดพลาดเหล่านี้ดูเหมือนจะเป็นพื้นฐาน เนื่องจากข้อมูลควอนตัมมีความเปราะบางมาก ทีมงานของเราที่ Thomas J Watson Research Center ได้ตีพิมพ์ผลงานในบทความImplementing a strand of a scalable fault-tolerant quantum computing fabric (doi: 10.1038 / ncomms5015)ในNature Communications (1)เกี่ยวกับขั้นตอนการทดลองล่าสุดเกี่ยวกับ “รหัสพื้นผิว” ที่ แสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาว่าจะแก้ไขข้อผิดพลาดเหล่านี้ และนำคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนทานต่อข้อผิดพลาดเข้ามาใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น
การทำความเข้าใจคุณสมบัติเฉพาะของ qubit
เทียบเท่าคลาสสิกของ qubit คือบิตดิจิทัล “1” และ “0” แพร่หลายในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ทุกเครื่อง แม้ว่า Qubits สามารถมีอยู่ในชุดค่าผสม 0 และ 1 พร้อมกันซึ่งเป็นสถานะที่แตกต่างกันซึ่งเรียกว่า “superposition” เมื่อ qubits มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน พวกมันสามารถสร้างการซ้อนทับแบบพิเศษที่เรียกว่า entanglement รัฐที่พันกันแสดงความสัมพันธ์ที่สมบูรณ์แบบไม่ว่า qubits จะถูกแยกออกจากกันในอวกาศมากแค่ไหน และนี่อาจเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ที่ให้พลังของการคำนวณควอนตัม
การพัวพันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการคำนวณควอนตัม แต่ก็สามารถนำไปสู่ข้อผิดพลาดเมื่อเกิดขึ้นระหว่างคอมพิวเตอร์ควอนตัมกับสิ่งแวดล้อม เอฟเฟกต์ควอนตัมจะหายไปเมื่อระบบเข้าไปพัวพันกับโลกภายนอกมากเกินไป ซึ่งทำให้สถานะควอนตัมเปราะบางมาก ยังมีความตึงเครียดอยู่บ้าง เนื่องจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องเชื่อมต่อกับโลกภายนอก เพื่อให้ผู้ใช้สามารถเรียกใช้โปรแกรมบนเครื่องนั้นและอ่านผลลัพธ์จากโปรแกรมเหล่านั้นได้
สิ่งนี้จำเป็นต้องจับคู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมกับสภาพแวดล้อมที่กำหนดว่าระบบสามารถรักษาพฤติกรรมควอนตัมได้ดีเพียงใด และเมื่อมันโต้ตอบกับโลกมากขึ้น ข้อผิดพลาดก็ถูกนำมาใช้ในการคำนวณ ระยะเวลาที่ qubit รักษาคุณสมบัติของควอนตัมนั้นเรียกว่าเวลาเชื่อมโยงกันและเป็นตัวชี้วัดทั่วไปในการวัดคุณภาพของ qubit ศิลปะจึงอยู่ในการสร้างระบบควอนตัมโดยมีข้อผิดพลาดลดลงและมีเวลาเชื่อมโยงกันยาวนาน
ทฤษฎีการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม
ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ ขนาดใหญ่ เป็นสากล และทนต่อข้อผิดพลาด เราจะต้องคิดหาวิธีที่จะมีช่วงเวลาที่สอดคล้องกันยาวนานและจัดการกับข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นจากการจัดการคอมพิวเตอร์ควอนตัม เส้นทางข้างหน้าคือผ่านการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม (QEC) ซึ่งเป็นทฤษฎีที่แข็งแกร่งซึ่งได้รับการพัฒนาจากแนวคิดของการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบคลาสสิกเพื่อจัดการกับข้อผิดพลาดในคิวบิต ในการแก้ไขข้อผิดพลาดแบบคลาสสิก บิต (รับค่า 0 หรือ 1) จะถูกเข้ารหัสเป็นฟิสิคัลบิตหลายบิต ตัวอย่างเช่น ฟิสิคัลบิตสามตัว 000 สามารถเข้ารหัสค่าบิตเชิงตรรกะเป็น 0 ได้ หากฟิสิคัลบิตตัวใดตัวหนึ่งพลิกสถานะเนื่องจากมีข้อผิดพลาดเกิดขึ้น (001) ค่าตรรกะดั้งเดิม (0) ยังคงสามารถกู้คืนได้ โดย “การลงคะแนนเสียงข้างมาก” (“00 วินาที” สองครั้งแทนที่ “1”)
การเข้ารหัส qubits นั้นท้าทายกว่าบิตอย่างมาก ประการแรกคือไม่สามารถโคลนได้ เราจึงไม่สามารถคัดลอกไปยังสถานะบิต “000” ที่คล้ายคลึงกันได้ เราไม่สามารถ “เห็น” ข้อมูลควอนตัมในลักษณะเดียวกันได้เพราะการดูหรือวัด qubit ซึ่งอาจอยู่ใน superposition ของ “0” หรือ “1” บังคับให้รัฐเลือก “0” หรือ “1 ” แต่ปรากฎว่าปัญหาเหล่านี้สามารถเอาชนะได้ด้วยการใช้สิ่งกีดขวางและการซ้อนทับอย่างชาญฉลาด
โปรโตคอล QEC อาศัยการวัดความเท่าเทียมกัน ตัวอย่างของโปรโตคอล QEC ที่ปกป้อง qubit ตรรกะจากข้อผิดพลาดบิตพลิกเดียวเป็นสาม qubit รหัสแคระแกร็น ในโค้ดนั้น ผ่านการทับซ้อนและการพัวพัน คู่ qubits ในรีจิสเตอร์สาม qubit สามารถโต้ตอบด้วยในลักษณะที่จะให้ข้อมูลพาริตี (เช่น qubit ทั้งคู่ 00 หรือ 11 มีความเท่าเทียมกันหรือทั้งสอง qubits อย่างใดอย่างหนึ่ง หรือ 10 มีความเท่าเทียมกันคี่) จากการรวบรวมข้อมูลพาริตีจากการลงทะเบียน ทำให้สามารถตรวจจับและค้นหาข้อผิดพลาดเดียวในการลงทะเบียน qubit ได้
แต่เพื่อให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ เราต้องการรหัสที่ป้องกันข้อผิดพลาดที่ต่อเนื่องกันบนหลาย qubits ทีมงานของเรามุ่งเน้นไปที่โค้ดพื้นผิว มีเกณฑ์ข้อผิดพลาดสูงและเฉพาะการตรวจสอบความเท่าเทียมกันของเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าอัตราข้อผิดพลาดไม่จำเป็นต้องต่ำเกินไปเพื่อดูประโยชน์ของการเข้ารหัส และการดำเนินการแต่ละครั้งที่เราต้องทำนั้นเกี่ยวข้องกับ qubits ที่อยู่ติดกันเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น สิ่งนี้ทำให้รหัสพื้นผิวเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการสาธิตการทดลองด้วยคิวบิตที่มีตัวนำยิ่งยวด

management system

รหัสพื้นผิวที่มี qubits ตัวนำยิ่งยวด
เราได้รับการสำรวจ qubits ยิ่งยวดที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากลบนพื้นฐานของสถาปัตยกรรมพื้นผิวรหัสสำหรับแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม เนื่องจากคุณสมบัติของพวกมันสามารถออกแบบและผลิตได้โดยใช้เทคนิคการผลิตซิลิกอนมาตรฐาน เราคาดว่าเมื่อคิวบิตตัวนำยิ่งยวดจำนวนหนึ่งสามารถผลิตได้อย่างแม่นยำและซ้ำแล้วซ้ำเล่า และควบคุมด้วยอัตราความผิดพลาดต่ำ จะไม่มีอุปสรรคพื้นฐานในการปรับขนาดได้ถึงหลายพันคิวบิต และอื่น ๆ
เวลาเชื่อมโยงกันสำหรับ qubits ตัวนำยิ่งยวดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในช่วง 10-15 ปีที่ผ่านมา และในปี 2010 ค่าเหล่านั้น ควบคู่ไปกับความสามารถในการจับคู่และควบคุมหลาย qubits ที่มีอัตราความผิดพลาดต่ำ ถึงจุดที่เราสามารถเริ่มพิจารณาว่าสามารถปรับขนาดได้ สถาปัตยกรรม ในเอกสารฉบับล่าสุดของเรา เราได้รวมความก้าวหน้าล้ำสมัยจำนวนหนึ่งไว้ภายใน qubits ตัวนำยิ่งยวด เพื่อแสดงให้เห็นถึงการก้าวย่างที่สำคัญต่อสถาปัตยกรรมการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมของโค้ดพื้นผิว ด้วยการใช้เครือข่าย qubit ที่มีตัวนำยิ่งยวดสามเครือข่าย เราตรวจพบความเท่าเทียมกันของ “โค้ด” สอง qubits ได้สำเร็จผ่านการวัด qubit “syndrome” ที่สาม (“การตรวจจับข้อผิดพลาด” qubit) ระบบรหัสพื้นผิวที่ใหญ่ขึ้นจะเกี่ยวข้องกับการตรวจสอบความเท่าเทียมกันที่คล้ายคลึงกันดังที่เราได้แสดงให้เห็นในระบบที่ลดลงนี้
ผลลัพธ์และการค้นพบล่าสุดของเราเกี่ยวกับการควบคุมความแม่นยำสูงจากUC Santa Barbaraแสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาสำหรับ qubits ตัวนำยิ่งยวด ความท้าทายด้านสถาปัตยกรรมและวิศวกรรมที่รออยู่ข้างหน้านั้นพร้อมแล้วที่จะแก้ไขเพื่อมุ่งสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนทานต่อข้อผิดพลาด
ด้วยเป้าหมายในการช่วยให้นักศึกษาระดับปริญญาเอกสามารถเชื่อมต่อกับผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมและเข้าใจความท้าทายด้าน R&D ในการประมวลผลบริการระดับองค์กรได้ดีขึ้น IBM Research ยังร่วมสนับสนุนงานชุมนุมทางสังคม “PhD Forum” กับ IEEE Technical Committee on Services Computing (TCSVC) ในเย็นวันนั้น
และในงานเลี้ยงที่จัดขึ้นเมื่อวันที่ 11 กรกฎาคม ฉันได้ประกาศรายชื่อผู้รับ IEEE TCSVC อันทรงเกียรติประจำปี 2019 ห้ารายซึ่งรวมถึง IBMers สองคน:
Lorraine Herger ผู้อำนวยการ IBM Research Integrated Solutions ได้รับรางวัล “Women in Services Computing”
Vaijayanthi Desai ผู้นำ IBM Cloud Center of Excellence Skills ได้รับรางวัล “บริการที่โดดเด่น””

YoutubeSeo

ในที่สุด เมื่อวันที่ 11 กรกฎาคม Fatemeh Jalali เจ้าหน้าที่ฝ่ายวิจัยของ IBM Research-Australia ได้เข้าร่วมอภิปรายในหัวข้อ “From EDGE to CLOUD” และผู้นำไอบีเอ็มอีกสองคนก็กล่าวสุนทรพจน์ของ IEEE SERVICES Workshop สองครั้งตามลำดับในวันที่ 12 กรกฎาคม:
Gopal Pingali รองประธาน IBM Global Technology Services Labs และวิศวกรที่โดดเด่นของ IBM นำเสนอ “The Future of Services Computing—Cognitive, Hybrid, Automated, Serverless, Open” ที่งาน IEEE SERVICES Workshop on Serverless Computing Frameworks and Services
Toyo Suzumura หัวหน้าฝ่ายวิจัยของ IBM ด้านโซลูชันกราฟความรู้ความเข้าใจและอาชญากรรมทางการเงิน นำเสนอ “Scalable Graph Learning for Finance” ที่การประชุมเชิงปฏิบัติการ IEEE SERVICES Workshop ครั้งแรกเกี่ยวกับกราฟความรู้ในฐานะบริการ
โดยรวมแล้ว นักวิจัยของ IBM ได้สอนบทเรียนสองบทและตีพิมพ์บทความ 24 ฉบับในการประชุม IEEE SERVICES
IBM Research มีความภูมิใจที่ได้เข้าร่วมในงานนี้และมีบทบาทเป็นผู้สนับสนุนหลักให้กับ IEEE SERVICES ซึ่งอยู่ในอันดับที่ 5 อันดับแรกของการประชุม IEEE Computer Society ที่สนับสนุนการประชุมทั้งหมดในแง่ของการดาวน์โหลดในห้องสมุดดิจิทัล IEEE (Xplore) ในอดีต ปี.

Youtube​Channel

นอกจาก Kumar ซึ่งดำรงตำแหน่งประธานทั่วไปของ IEEE Symposium on Future of Financial Services ครั้งแรก และตัวฉันเอง นักวิจัยของ IBM อีกหลายคนยังมีบทบาทสำคัญในคณะกรรมการจัดงานของ IEEE SERVICES ปี 2019:
Heiko Ludwig ประธานทั่วไปของ 2019 IEEE International Conference on Web Services
Dinesh Verma ประธานโครงการของ 2019 IEEE International Conference on Cognitive Computing
Carlos Fonseca ประธานการสอนของ 2019 IEEE SERVICES
Fanjing Meng ประธาน IEEE SERVICES Workshop on Serverless Computing
Jianying Hu สมาชิกคณะกรรมการที่ปรึกษา IEEE Digital Health as a Service Symposium