Superprevodni kvantni računalnik tlakuje pot platformi za hibridno kvantnoa hibridno kvantno računalništvo

Podjetje Fujitsu in največji japonski raziskovalni inštitut za temeljne in uporabne raziskave RIKEN sta oznanila uspešen razvoj novega superprevodnega kvantnega računalnika s 64 kubiti v centru za sodelovanje RIKEN RQC-Fujitsu. Naprava je zlasti namenjena pospeševanju raziskav in razvoja kvantnih kemijskih izračunov ter kvantnih finančnih algoritmov.

Platforma združuje računsko moč novega 64-kubitnega superprevodnega kvantnega računalnika z enim izmed največjih 40-kubitnih simulatorjev kvantnega računalnika na svetu. Ob tem pa tudi omogoča enostavno primerjavo rezultatov izračunov kvantnih računalnikov hrupne kvantne dobe srednjega obsega (NISQ) z rezultati kvantnih simulatorjev brez napak. To prispeva k pospešenim raziskavam, vključno z oceno učinkovitosti algoritmov za zmanjševanje napak v kvantnih aplikacijah. »Pričakujemo, da bo ultrahitra računska moč kvantnih računalnikov omogočila izjemno natančne kemijske izračune brez primere, kar bo močno prispevalo k razvoju materialov,« je prepričan dr. Yukihiro Okuno iz Naprednega raziskovalnega laboratorija družbe Fujifilm. »Fujifilm bo uporabil novo hibridno kvantno računalniško platformo za raziskovanje učinkov šuma na trenutne rezultate kvantnega računanja. Prav tako bomo z uporabo kvantnega računalništva še naprej razvijali inovativne materiale,« je sklenil raziskovalni partner družbe Fujitsu.

Fujitsu in RIKEN še naprej razvijata hibridni kvantni algoritem, ki povezuje superprevodno kvantno računalništvo z visokozmogljivim računalništvom (HPC). S povezavo kvantnega računalnika s kvantnim simulatorjem, ki deluje na HPC, je podjetjema uspelo razviti hibridni kvantni algoritem, ki omogoča kvantne kemijske izračune z večjo natančnostjo kot običajni algoritmi, kot je numerična tehnika CCSD(T). Partnerja nameravata algoritem vključiti v novo platformo.

»Tradicionalni pristop k odkrivanju novih materialov in novih zdravil je izjemno drag in dolgotrajen. Da bi pospešili cikle znanstvenih odkritij, spodbujamo nov sistem raziskav in razvoja, ki z uporabo kvantnih računalnikov omogoča hitre in natančne napovedi lastnosti,« je pojasnil dr. Qi Gao, višji znanstvenik v družbi Mitsubishi Chemical Corporation in raziskovalec na projektu IBM Q Hub na Univerzi Keio, kjer preizkuša napredne kvantne metode, kot sta kvantna kemija in kvantna umetna inteligenca, da bi našel področja, na katerih bi lahko kvantno računalništvo praktično prispevalo k splošni uporabnosti v kemiji. »V okviru teh prizadevanj izvajamo skupne raziskave s podjetjem Fujitsu, katerih cilj je v prihodnosti združiti obsežno kvantno računalništvo z drugimi nastajajočimi tehnologijami in tako ustvariti inovacije na področju odkrivanja materialov in zdravil.«

Novi 64-kubitni superprevodni kvantni računalnik, uporabljen v novi hibridni platformi za kvantno računalništvo, uporablja tehnologijo prvega japonskega superprevodnega kvantnega računalnika, ki ga je podjetje RIKEN napovedalo marca 2023 v okviru vodilnega programa japonskega ministrstva za izobraževanje, kulturo, šport, znanost in tehnologijo Quantum Leap (MEXT Q-LEAP) in je bil razvit v centru za sodelovanje RIKEN RQC-Fujitsu v sodelovanju s korporacijo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT). Računalnik vključuje integriran 64 superprevodni čip qubit in uporablja vertikalno shemo ožičenja, podobno kot kvantni računalnik RIKEN, zaradi česar ga je mogoče razširiti v prihodnosti. Poleg tega uporablja programsko opremo za nadzor kubitov, ki jo je izdelal NTT, da bi dosegel zelo natančen nadzor kubitov. Novi superprevodni kvantni računalnik omogoča izračune idealno do 264 kvantnih superpozicijskih in prepletenih stanj, kar naj bi omogočilo izračune v obsegu, ki ga je bilo s klasičnimi računalniki težko doseči. Foto: Fujitsu

Tlakovec na poti v dobo praktičnega kvantnega računalništva

Razvoj različnih arhitektur kvantnega računalništva v zadnjih letih napreduje z veliko hitrostjo. Vendar pa ustvarjanje zanesljivih rezultatov računanja s kvantnimi računalniki predstavlja nenehni izziv, saj se pri sedanjih sistemih NISQ še vedno pojavljajo računske napake zaradi šumov v okolici.

Strokovnjaki predvidevajo, da bo za uresničitev praktičnega kvantnega računalnika, odpornega na napake (FTQC), ki lahko zagotavlja zanesljive in natančne rezultate, potrebno desetletje ali več. Poleg tega je hkratni razvoj kvantnih aplikacij za uresničitev praktične uporabe kvantnih računalnikov, ko bo na voljo FTQC, še ena izmed prednostnih nalog. Kvantni simulatorji, ki lahko digitalno posnemajo kvantno računanje, so pomemben most do razvoja praktičnega kvantnega računalništva, odpornega na napake.

Za razliko od sedanjih kvantnih računalnikov lahko kvantni simulatorji izvajajo brezhibna in dolgotrajna (kvantno podobna) računanja, saj se ne zanašajo na kubite, dovzetne za napake. Ker pa kvantni simulatorji le digitalno reproducirajo kvantno računanje na klasičnih računalnikih, ne morejo doseči dejanskega kvantnega pospeška, ki je pričakovana prednost praktičnih kvantnih računalnikov.

Da bi rešila ta vprašanja, sta Fujitsu in RIKEN uvedla novo hibridno kvantno računalniško platformo, ki združuje prednosti superprevodnih kvantnih računalnikov in kvantnih simulatorjev, kar bo prispevalo k nadaljnji uporabi superprevodnega kvantnega računalnika, razvitega v centru RIKEN RQC-Fujitsu Collaboration Center, in razvoju novih kvantnih aplikacij.

Podjetji bosta v prihodnje spodbujali razvoj tehnologij, vključno z implementacijo z visoko gostoto za izvedbo 1.000-kubitnega superprevodnega kvantnega računalnika, ter tehnologij za doseganje natančnejših operacij s kvantnimi vrati. Prek te platforme bosta strankam še naprej zagotavljali vire za kvantno računalništvo in kvantno simulacijo za uporabo na različnih področjih, vključno s financami in odkrivanjem zdravil. Obenem pa s skupnimi raziskavami spodbujali dejavnosti raziskav in razvoja za kvantne aplikacije, da bi pospešila praktično uporabo strojne in programske opreme za kvantno računalništvo. Foto: Fujitsu

Nadaljnje raziskave in razvoj hibridnih kvantnih algoritmov

Nova platforma se izvaja kot skalabilna arhitektura v oblaku z uporabo storitev v oblaku, kot je storitev računalništva brez strežnika AWS Lambda, ki jo zagotavlja Amazon Web Services. Podjetjem in raziskovalnim ustanovam, ki sodelujejo s podjetjema Fujitsu in RIKEN, ponuja brezhibno okolje za dostop do kvantnega računalnika in kvantnega simulatorja prek skupnih vmesnikov API. Stranki pričakujeta, da bo nova platforma omogočila prožno preklapljanje med kvantnim računalnikom in kvantno simulacijo, ki je potrebno za razvoj hibridnih algoritmov, ki uporabljajo tako klasične kot kvantne računalnike, kot je algoritem Variational Quantum Eigensolver (VQE) za izračun molekularne energije v kvantni kemiji ali algoritmi kvantnega strojnega učenja v financah. Fujitsu in RIKEN pričakujeta tudi, da bo mogoče novo platformo v prihodnosti povezati z zunanjimi knjižnicami za izračun kvantne kemije.

Fujitsu in RIKEN še naprej razvijata hibridne kvantne algoritme, ki povezujejo kvantno računalništvo in HPC ter prispevajo k reševanju problemov v različnih panogah. V okviru trenutnih skupnih raziskav sta razvila hibridni kvantni algoritem, pri katerem kvantni simulator izvede del izračuna algoritma za kvantni računalnik. Algoritem omogoča izračun velikih molekul z visoko natančnostjo z uporabo kvantnih algoritmov in teorijo vložitve s pomočjo gostotne matrike (DMET), kvantne kemijske računske metode za razdelitev velikih molekul na več majhnih fragmentov. Fujitsu in RIKEN sta ta algoritem uporabila za izračun energije osnovnega stanja molekule H12 (verižna molekula, sestavljena iz dvanajstih atomov vodika) in ga združila s tehnologijo popravljanja kvantnih izračunov na podlagi umetne inteligence za ublažitev učinkov šuma v kvantnih računalnikih. Na ta način sta Fujitsu in RIKEN prvič potrdila, da je mogoče izračune energije izvesti z večjo natančnostjo od obstoječih klasičnih algoritmov CCSD(T). Poleg zagotavljanja te tehnologije na novi hibridni platformi za kvantno računalništvo v prihodnosti si bo Fujitsu še naprej prizadeval za uresničitev posrednika računalniške delovne obremenitve, programske opreme na osnovi umetne inteligence, ki samodejno izbira med različnimi računalniškimi viri in algoritmi, da strankam ponudi optimalno rešitev njihovih težav.

Načrti za prihodnost

Fujitsu in RIKEN bosta nadaljevala skupni razvoj v centru za sodelovanje RIKEN RQC-Fujitsu v smeri realizacije obsežnega kvantnega računalnika s 1.000 kubiti in zagotavljala skupaj razvite tehnologije prek nove hibridne kvantne platforme.

RIKEN in Fujitsu bosta okrepila sodelovanje pri razvoju praktičnih aplikacij za kvantne računalnike ter spodbujala raziskave in razvoj tehnologije za simulacijo kvantnega računalništva in tehnologije programske opreme, ki povezuje kvantno računalništvo s HPC.

Fujitsu izvaja skupne raziskave z družbami Fujifilm Corporation, Tokyo Electron Limited, Mizuho DI Financial Technology Co. in Mitsubishi Chemical Group Corporation o razvoju pionirskih kvantnih aplikacij z uporabo kvantnih simulatorjev.

Fujitsu v sodelovanju z RIKEN želi v prihodnje pospešiti skupne raziskave z uporabo nove hibridne platforme z različnimi podjetji, univerzami in raziskovalnimi inštituti ter razširiti iskanje praktičnih hibridnih kvantnih aplikacij na različnih področjih, vključno z materiali, financami in odkrivanjem zdravil.