Nvidia har genomfört en rekordstor simulering av hur framtidens kvantdatorer kan hantera fel. Med hjälp av superdatorn Jupiter i Tyskland har forskarna testat ett protokoll med 104 kvantbitar och realistiska störningar. Resultatet kan bli viktigt för utvecklingen av användbara kvantdatorer, men innebär inte att Nvidia har byggt en ny kvantdator.

Den 19 oktober presenterade Nvidia vad bolaget beskriver som den hittills största heltäckande simuleringen av sitt slag. Arbetet har genomförts på superdatorn Jupiter vid forskningsanläggningen i Jülich i Tyskland.

Simuleringen använde 8 192 grafikprocessorer och omkring 512 tebibyte minne för att undersöka en av de svåraste delarna av framtidens kvantdatorer: att genomföra avancerade beräkningar trots att kvantbitarna hela tiden riskerar att påverkas av störningar.

Det är ett forskningsframsteg, men också ett resultat som kräver en viktig förklaring. De 104 kvantbitarna existerade i en datormodell, inte som en fungerande kvantprocessor med motsvarande kapacitet.

Varför är fel det stora problemet för kvantdatorer?

En vanlig dator använder bitar som representerar antingen noll eller ett. En kvantdator använder kvantbitar, som genom kvantmekanikens egenskaper kan bearbeta information på andra sätt.

Det öppnar möjligheter att lösa vissa typer av problem som är mycket svåra för traditionella datorer.

Problemet är att kvantbitar är extremt känsliga. Störningar från omgivningen och fel i de operationer som utförs kan förstöra informationen innan beräkningen är färdig.

Därför arbetar forskare med felkorrigering. Genom att kombinera flera fysiska kvantbitar kan man skapa en mer tillförlitlig logisk kvantbit.

Men även den lösningen har en kostnad. En avancerad kvantdator kan behöva mycket stora mängder fysiska kvantbitar för att skapa ett betydligt mindre antal användbara logiska kvantbitar.

Att minska det behovet är en av de viktigaste utmaningarna inom kvantforskningen.

Vad har Nvidia lyckats testa?

Nvidias simulering handlar om en metod som kallas magic-state cultivation. Den används för att framställa särskilda kvanttillstånd som behövs för att utföra vissa avancerade operationer i en feltolerant kvantdator.

Metoden ska göra det möjligt att skapa dessa tillstånd med mindre resursåtgång än tidigare tekniker.

Forskarna har simulerat hur tillstånden framställs, kontrolleras och skyddas mot fel. Till skillnad från enklare beräkningsmodeller ingår också mer realistiska störningar, bland annat fel som påverkar kvantbitarnas tillstånd på olika sätt.

Det gör simuleringen värdefull eftersom forskarna kan undersöka problem som annars skulle kräva omfattande experiment på verklig kvantutrustning.

Samtidigt omfattar simuleringen en särskild del av en framtida kvantdators arbete. Den visar inte en komplett feltolerant kvantdator som genomför praktiskt användbara beräkningar.

I Nvidias tekniska genomgång beskrivs hur simuleringen genomförts och vilka felmodeller som använts.

Betyder resultatet 90 procent färre kvantbitar?

En av de mest uppmärksammade uppgifterna i Nvidias besked är att metoden kan minska behovet av fysiska kvantbitar med 90 procent jämfört med tidigare tillvägagångssätt.

Det är en betydande potentiell förbättring, men siffran måste sättas i sitt sammanhang.

Den bakomliggande forskningen om magic-state cultivation har bland annat visat hur resursåtgången kan minska ungefär tio gånger jämfört med äldre metoder, under bestämda antaganden om felfrekvenser och tillförlitlighet.

En viktig del av jämförelsen gäller så kallade qubit-rounds. Måttet beskriver hur många kvantbitar som används under hur många beräkningssteg.

Det är inte samma sak som att en färdig kvantdator automatiskt behöver 90 procent färre fysiska kvantbitar.

För att avgöra den verkliga besparingen måste forskarna också ta hänsyn till hur snabbt tillstånden kan produceras, hur många försök som misslyckas och hur metoden fungerar tillsammans med resten av systemet.

Nvidias simulering bekräftar alltså inte att en fungerande kvantdator redan har blivit 90 procent mindre. Siffran beskriver en möjlig resursbesparing för en specifik metod, inte ett uppmätt resultat från en komplett maskin.

Google har redan testat metoden i verklig hårdvara

Nvidias besked kommer bara några dagar efter ett närliggande forskningsresultat från Google.

Den 15 oktober presenterade Google experiment där magic-state cultivation hade genomförts på företagets kvantprocessor Willow.

Forskarna rapporterade en kraftig förbättring av tillståndens kvalitet, med omkring 40 gånger lägre fel än en enklare framställningsmetod.

Men experimentet visade också en av utmaningarna. Endast omkring åtta procent av försöken behölls efter felkontrollerna. Övriga sorterades bort.

Det innebär att forskarna inte bara måste kunna skapa tillräckligt tillförlitliga tillstånd. De måste också kunna framställa dem effektivt och i stor skala.

Googles experiment och Nvidias simulering visar därmed två olika delar av utvecklingen. Google har testat grundmetoden på verklig kvantutrustning, medan Nvidia har undersökt ett större protokoll med hjälp av klassiska datorer.

Vad betyder rekordet för framtidens kvantdatorer?

Det mest betydelsefulla med Nvidias resultat är möjligheten att testa och förbättra metoder för felkorrigering innan de används i större kvantprocessorer.

Forskare kan simulera hur olika störningar påverkar beräkningarna och undersöka vilka lösningar som verkar mest lovande. Det kan minska behovet av kostsamma experiment och hjälpa utvecklare att välja bättre konstruktioner.

Frågan är också relevant för Sverige, där investeringar i kvantteknik har blivit en del av diskussionen om framtidens forskning och industri. I oktober presenterades bland annat Vinnovas förslag om satsningar på AI, 6G och kvantteknik.

Men steget från en avancerad simulering till en användbar kvantdator är fortfarande stort.

Forskarna behöver visa att metoderna fungerar tillförlitligt på större fysisk hårdvara, att resursbesparingarna håller även i kompletta system och att beräkningarna kan genomföras med acceptabel hastighet.

Nvidias rekord ger bättre möjligheter att undersöka hur det ska gå till. Det är ännu inte ett bevis på att problemen är lösta.