De kwantumberekening vordert richting zogenaamde fouttolerante systemen, die hun eigen fouten kunnen corrigeren, en het verminderen van deze fouten blijft een centrale uitdaging. In oktober kondigden zowel Google als Nvidia vooruitgang aan rond de techniek magic state cultivation, die erop gericht is de benodigde staten voor universele kwantumberekeningen efficiënter te produceren.
Qubits, de basiseenheden van kwantumcomputing, zijn zeer fragiel: ze kunnen hun coherentie verliezen, en een systeem dat te veel fouten maakt is niet bruikbaar. Leveranciers creëren daarom logische qubits uit vele fysieke qubits, die fouten kunnen detecteren en corrigeren zonder de kwantumtoestand te onderbreken. Eén enkele logische qubit kan echter vele duizenden fysieke qubits vereisen, wat opschaling bemoeilijkt.
Een universele kwantumcomputer moet Clifford-poorten, zoals S- en CNOT-poorten, combineren met niet-Clifford-poorten, zoals T-poorten. De meeste foutcorrectiecodes kunnen de eerste aan, maar niet de tweede. Magische staten, in 2004 geïntroduceerd door onderzoekers, zijn onmisbaar voor deze berekeningen, maar ze zijn fragiel, moeilijk met hoge getrouwheid te produceren en kunnen niet worden hergebruikt.
Om dit te compenseren, transformeert de distillatie van magische staten vele verstoorde, dat wil zeggen onnauwkeurige, staten in een kleiner aantal staten met hoge getrouwheid. Deze operatie kan echter tot 95% van de capaciteit van een kwantumsysteem in beslag nemen, wat een knelpunt creëert. In 2024 presenteerden onderzoekers van Google de magic state cultivation: in plaats van een groot aantal verstoorde staten te produceren en vervolgens een groot deel weg te gooien, wordt een verstoorde staat in een klein gebied van de chip geplaatst en worden metingen uitgevoerd die fouten opsporen en defecte pogingen elimineren, totdat een staat met een lager foutenpercentage wordt verkregen.
Een demonstratie op chip
Op 15 oktober kondigden Google en Nvidia projecten aan die volgens hen de ontwikkeling van deze techniek aanzienlijk vooruit helpen. De onderzoekers van Google Quantum AI melden de eerste hardware-implementatie van de methode, uitgevoerd op de supergeleidende chip Willow. Volgens het bedrijf heeft de demonstratie de fouten 40 keer verminderd in vergelijking met niet-gecultiveerde staten, en T-states opgeleverd die een logische getrouwheid van 99,99% bereiken.
Minder dan een week later kondigden onderzoekers van Nvidia aan een simulatie van 104 qubits te hebben uitgevoerd op Jupiter, de eerste Europese exascale supercomputer, gehost in het Jülich Supercomputing Centre in Duitsland en uitgerust met Nvidia GH200 superchips. Volgens Nvidia gebruikt de methode 90% minder qubits dan andere benaderingen.
Sam Stanwyck, kwantumproductdirecteur bij Nvidia, kwalificeerde het werk van beide bedrijven als een kritieke stap richting fouttolerante kwantumcomputing. Over Google zei hij: « Het is complementair aan het werk van Google. Wat Google heeft gedaan is een kleinschalige demonstratie op hardware. Het was een proof of concept die aantoonde dat magic state cultivation daadwerkelijk werkt op echte hardware. »
De onderzoekers van Google, na twee jaar werk om de methode van theorie naar praktijk te brengen, hebben hun resultaten gedetailleerd beschreven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Science. Ze erkennen dat ze de techniek op grotere schaal moeten demonstreren om haar realistisch te maken in een praktisch kwantumsysteem, maar schatten tegelijkertijd in dat « deze prestatie een sleuteltheoretisch idee transformeert in een experimenteel aangetoonde realiteit ».
Simuleren om te ontwerpen
Volgens Sam Stanwyck is simulatie onmisbaar voor het ontwerpen van de hardware en software rond deze benaderingen. « Je moet ze zo diepgaand mogelijk simuleren om hun gedrag te begrijpen en vooral hoe ze omgaan met fouten », verklaarde hij. Hij noemde ook het werk van Amazon Web Services en Quantum Elements, met de University of Southern California en Harvard University, die eveneens een simulatie hebben gebruikt om foutcorrectie te behandelen.
Nvidia gebruikte zijn kwantum-klassieke platform CUDA-Q en zijn software development kit cuQuantum om hardwarefouten te modelleren, inclusief coherente fouten en lekkage. « Dit zijn hele kleine systematische fouten in kwantumoperaties, die zich tijdens een berekening opstapelen en beperken wat de computer kan doen », legde Sam Stanwyck uit. Het project begon op een systeem met GB200 NVL72-chips in het Accelerated Quantum Research Center in Boston, voordat het werd uitgebreid naar Jupiter, waar de tests gingen van vier GPU’s naar enkele honderden, en vervolgens naar 8.192 GPU’s.
