Skriftligt av Michael Gariffo, personalskribent 
Michael är en erfaren teknikskribent som har täckt affärs- och konsumentfokuserad hårdvara och mjukvara i över ett decennium.
Fullständig beskrivning den 15 december 2021 | Ämne: Innovation
En ny akademisk uppsats avslöjar en oroande tendens för kosmiska strålar att störa kvantdatorprocessorer på ett sätt som kan vara nästan omöjligt för nuvarande felkorrigeringstekniker att tillförlitligt motverka.
Hotet bortom stjärnorna
Ett av de största hindren som kvantdatorer möter är att hantera felkorrigering. Traditionellt har detta oftast hanterats genom att gruppera flera kvantbitar, kvantekvivalenten till traditionella datorbitar, till en sorts kommitté inom kvantbehandlingsenheter. Istället för att systemet förlitar sig på en enda qubit, som kanske eller inte kan vara korrekt, förlitar det sig istället på konsensus från en hel grupp av qubits. Detta tar bort felaktiga extremvärden och minskar felfrekvensen avsevärt till en punkt där det är extremt osannolikt att det kommer att störa ett pågående bearbetningsjobb.
Tyvärr, i en mycket sci-fi-ljudande händelseutveckling, verkar det som om en osynlig fiende från yttre rymden kan hota livskraften för denna felkorrigerande teknik.
Den osynliga (vanligtvis ofarliga) fienden
Kosmiska strålar är osynliga, mikroskopiska partikelstrålar som ständigt bombarderar jorden från källor så långt borta som andra galaxer. De kolliderar vanligtvis ofarligt med planetens atmosfär såväl som föremål inom den. Faktum är att du sannolikt kommer att drabbas av flera av dem när du läser den här artikeln. Som tur är, för vår sinnesfrid, går de i allmänhet helt obemärkt förbi och gör absolut ingen skada innan de fortsätter på sin kosmiska resa. Tyvärr för utvecklare av kvantdatorer verkar det som om kvantprocessorer kan vara mycket, mycket känsligare för dessa typiskt omärkliga inkräktare än de insåg.
En kvantsårbarhet
I en artikel publicerad i Nature Physics och täckt av Ars Technica har det avslöjats att en av dessa typiskt ofarliga strålar kan orsaka ett stort problem när den träffar en kvantprocessor i drift. Enligt resultaten från flera forskare som arbetar på Google Quantum AI kan en kosmisk strålning på en kvantdatorkärna i drift resultera i bildandet av en kvasipartikel som kallas fonon.
Dessa fononer har kapacitet att störa operationer genom att invertera kvanttillståndet för inte bara en enstaka qubit, utan en hel intrasslad uppsättning qubits när de sprider sig över processorn. Detta innebär att en varning kan fördela fel över en hel qubit-uppsättning, vilket i huvudsak upphäver skyddet som tillhandahålls av den kommittéliknande felkorrigeringen som nämns ovan.
I ett experiment som beskrivs i uppsatsen testade Googles forskare en uppsättning av 26 qubits som var kända för att vara bland de mest tillförlitliga. Denna uppsättning lämnades sedan i viloläge under 100 mikrosekunder. Medan de går på tomgång bör tillförlitliga qubits i allmänhet förbli i sitt nuvarande tillstånd. För att använda en traditionell binär beräkningsanalogi bör en 1 förbli en 1, en 0 ska förbli en 0.
I genomsnitt visade de 26 qubits-uppsättningarna i fråga en felfrekvens på cirka 4 qubits som felaktigt ändrade sitt tillstånd inom testperioden på 100 mikrosekunder. Detta ligger väl inom den inbyggda felkorrigeringens förmåga att kompensera genom att förlita sig på den återstående majoriteten av 22 qubits. Under bekräftade kvantstrålar visade sig emellertid 24 av de 26 qubitarna felaktigt ha vänt till motsatt tillstånd. Detta resultat är långt bortom den traditionella felkorrigeringens förmåga att kompensera för. Ett sådant resultat skulle göra hela gruppen i fel och kan ifrågasätta hela bearbetningsjobbets kontinuitet.
Hur illa är det?
Interferens från kosmisk strålning är inget nytt. Som Ars noterade kan de också interagera med traditionella processorer genom att bråka med de elektriska laddningar de är beroende av för att slutföra sina logiska operationer. Men den unika och fortfarande utvecklande strukturen hos kvantprocessorer gör dem mycket mer benägna för sådana störningar, med Googles forskning som indikerar att ett kosmisk strålinducerat fel inträffar så ofta som var tionde sekund. Detta innebär att de timmarslånga bearbetningsjobben som de flesta kvant-CPU:er har i uppdrag kan inkludera hundratals, om inte tusentals, fel utspridda genom resultaten.
Det som gör saken värre är att processorn som dessa forskare använde för sina tester var ganska liten. När bearbetningskraven ökar, så måste storleken på kvantprocessorn också öka. Men ju större processorn är, desto större yta är det för att potentiellt drabbas av en kosmisk strålkollision. Det verkar som om hotet om påtvingade fel bara kommer att bli värre när kvantprocessorer fortsätter att ta sig mot praktiska tillämpningar.
Kan vi inte bygga några deflektorsköldar eller något?
Tyvärr finns det inget praktiskt sätt att på ett tillförlitligt sätt blockera dessa problematiska, intergalaktiska resenärer. De rör sig trots allt nästan med ljusets hastighet. Men, som påpekats av Ars Technica, har några smarta lösningar redan utvecklats för att hjälpa enheter som astronomisk bildutrustning att klara av kvantstrålarinterferens. Även om tidningen inte specifikt utforskar livskraften för dessa potentiella lösningar, verkar de indikera att problemet med kosmisk strålningsinterferens är ett överkomligt problem.
Utvalda
Log4j zero-day-fel: Vad du behöver veta och hur du skyddar dig Covid-testning: De bästa snabbtestsatserna hemma Din Windows 11-uppgradering är klar . Ska du göra det? Bästa tekniska produkter 2021: ZDNets mest rekommenderade prylar CXO | Digital transformation | Teknisk industri | Smarta städer | Moln