AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
IBM combineert twee kwantumfoutmethodes: 63 keer minder metingen nodig
Onderzoekers van IBM hebben twee bestaande technieken tegen rekenfouten in kwantumcomputers samengevoegd tot één aanpak. Door eerst duidelijk foutieve pogingen weg te gooien en pas daarna de resterende fouten statistisch te corrigeren, hadden ze tot 63 keer minder herhalingen nodig dan met de gangbare methode alleen. Het onderzoek, nog niet extern beoordeeld, laat zien dat foutdetectie en foutcorrectie elkaar kunnen versterken in plaats van losse fases van de kwantumcomputer te zijn.
Kwantumcomputers zijn nog altijd erg gevoelig voor ruis. Elke qubit, de rekeneenheid van zo'n machine, kan door warmte, trillingen of onnauwkeurige besturing per ongeluk van toestand veranderen. Hoe groter en langer een berekening, hoe meer van zulke foutjes zich opstapelen. Onderzoekers van IBM onderzochten nu of twee bestaande methodes om daarmee om te gaan, elkaar kunnen aanvullen. Hun bevindingen zijn beschreven in een nog niet peer-gereviewde preprint en toegelicht in een blogpost van IBM Quantum.
Twee aanpakken, één probleem
Er bestaan grofweg twee strategieën om met rekenfouten om te gaan. Kwantumfoutcorrectie is bedoeld voor toekomstige, grotere kwantumcomputers: door informatie over meerdere qubits te verspreiden, kan een systeem fouten opsporen én herstellen tijdens de berekening. Dat vergt echter extra qubits, extra bewerkingen en veel rekenkracht om de controles te verwerken — iets waar de huidige generatie chips nog niet klaar voor is. Het alternatief is foutmitigatie: een circuit wordt vaak herhaald, waarna statistiek wordt gebruikt om te schatten wat de uitkomst zonder ruis geweest zou zijn. Een bekende variant heet probabilistische foutonderdrukking (PEC): het systeem bouwt een model van de ruis en trekt de geschatte storende effecten er vervolgens statistisch weer vanaf. Het probleem is dat PEC exponentieel meer metingen nodig heeft naarmate een circuit groter of ruisgevoeliger wordt, wat de methode in de praktijk al snel onwerkbaar maakt.
Dubbele controle op de chip
IBM's onderzoekers plaatsten daarom eerst een laag foutdetectie vóór de mitigatie. Extra controle-qubits signaleren tijdens de berekening of er een fout is opgetreden; als dat zo is, wordt die hele meting weggegooid. Pas op de overgebleven, 'schone' resultaten wordt vervolgens PEC losgelaten om de subtielere fouten te corrigeren die de detectie miste. De onderzoekers noemen hun methode 'spacetime probabilistic error cancellation', omdat die rekening houdt met zowel de plek als het moment waarop een fout in het circuit optreedt. Dat is nodig omdat twee fouten elkaar soms kunnen 'verstoppen': ze heffen elkaars signaal op, waardoor een run de controle passeert terwijl er toch een fout in zit.
Test met een fysicasimulatie
De aanpak werd getest op IBM's supergeleidende kwantumprocessor ibm_aachen, met een supergeleidende chip als hardware. De onderzoekers simuleerden het transverse-field Ising-model, een veelgebruikt model voor magnetische materialen, met 22 rekenqubits en 27 controlequbits en tot 648 zogeheten controlled-Z-poorten. Bij een simulatie van zes stappen bleek de gecombineerde methode 63 keer minder metingen nodig te hebben dan PEC alleen; bij twee stappen was de winst 3,7 keer en bij vier stappen bijna 16 keer. In absolute cijfers daalde de geschatte overhead van 85.545 naar 1.359 — een flinke besparing, al blijft er dus nog altijd fors werk over. De 63-voudige winst zegt bovendien niets over de totale rekentijd, maar alleen over het aantal benodigde herhalingen.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Dit onderzoek laat zien dat foutmitigatie niet automatisch verdwijnt zodra kwantumcomputers overstappen op foutcorrectie: de twee technieken kunnen elkaar juist versterken. Dat is belangrijk omdat volledige foutcorrectie nog jaren op zich laat wachten, terwijl deze hybride aanpak nu al de bruikbaarheid van bestaande, kleinere kwantumchips kan vergroten.
- Kwantumfoutcorrectie
- Een techniek waarbij informatie over meerdere qubits wordt verspreid, zodat fouten tijdens de berekening kunnen worden opgespoord én hersteld.
- Foutmitigatie
- Een aanpak waarbij een circuit vaak wordt herhaald en statistiek wordt gebruikt om te schatten wat de uitkomst zonder ruis zou zijn geweest.
- Probabilistische foutonderdrukking (PEC)
- Een vorm van foutmitigatie die een ruismodel van de processor maakt en de geschatte storingen er vervolgens statistisch weer vanaf trekt.
- Qubit
- De rekeneenheid van een kwantumcomputer, te vergelijken met een bit in een gewone computer, maar dan met kwantummechanische eigenschappen.
- Trotter-stap
- Een methode om de evolutie van een fysisch systeem op te delen in kleine, opeenvolgende rekenstapjes die een kwantumcomputer kan uitvoeren.
- Post-selectie
- Het achteraf verwijderen van meetresultaten waarin een fout is gedetecteerd, zodat alleen de vermoedelijk correcte data overblijft.
- Kwantumfoutdetectie
- Een lichtere vorm van foutcorrectie waarbij extra qubits alleen signaleren dát er een fout is opgetreden, zonder die actief te herstellen.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
