Memahami Terobosan Koreksi Kesalahan Kuantum Google

 (quantum-machines.co)
2 poin oleh GN⁺ 2024-11-24 | 2 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Qubit, unit dasar komputer kuantum, sangat sensitif sehingga kesalahan dapat terjadi bahkan akibat gangguan eksternal yang sangat kecil
  • Koreksi kesalahan kuantum (QEC) menggabungkan banyak qubit fisik yang sensitif untuk menciptakan qubit logis yang lebih stabil dan memperbaiki kesalahan
  • Tujuan utama QEC adalah memastikan bahwa ketika tingkat kesalahan qubit fisik berada di bawah ambang batas, penambahan lebih banyak qubit justru mengurangi kesalahan

Pencapaian utama Google: mencapai tingkat kesalahan di bawah ambang batas

  • Google berhasil mengurangi kesalahan secara eksponensial dengan menggunakan jenis QEC tertentu, yaitu surface codes
  • Dengan meningkatkan code distance dari 5 menjadi 7 qubit, tingkat kesalahan logis menurun 2,14 kali lipat
  • Hasil eksperimen menunjukkan bahwa qubit logis bertahan dua kali lebih lama dibanding qubit fisik
  • Ini merupakan kasus pertama yang membuktikan bahwa qubit logis memiliki performa lebih unggul daripada qubit fisik, sekaligus meletakkan fondasi penting bagi komputer kuantum yang dapat diskalakan

Inovasi Google dari sudut pandang rekayasa kontrol

1. Sinkronisasi real-time

  • Semua siklus koreksi kesalahan harus diselesaikan dalam 1.1µs, yang menuntut sinkronisasi sempurna antar-qubit
  • Kesalahan timing sinyal sekecil apa pun dapat menyebabkan akumulasi kesalahan dan kegagalan komputasi

2. Decoding real-time

  • Decoding adalah proses menganalisis data pengukuran untuk mengidentifikasi lokasi dan jenis kesalahan
  • Google memproses lebih dari 1 juta siklus koreksi kesalahan dengan latensi 63µs
  • Jika decoder lambat, kesalahan akan menumpuk, sehingga decoding real-time menjadi sangat penting

3. Operasi gate fidelitas tinggi

  • Google mencapai tingkat kesalahan gate qubit tunggal di bawah 0,1% dan tingkat kesalahan gate CZ dua qubit sebesar 0,3%, sehingga kestabilan qubit logis dapat dipastikan
  • Kesalahan gate dapat menyebarkan kesalahan ke seluruh sistem, sehingga akurasi menjadi sangat penting

Pentingnya decoding real-time

  • Riset Google menunjukkan betapa pentingnya latensi dan throughput decoder terhadap performa QEC
  • Decoding dapat dilakukan dengan cepat dan akurat pada perangkat keras seperti FPGA, sementara GPU menawarkan kemampuan komputasi yang lebih tinggi
  • Platform DGX Quantum yang lahir dari kolaborasi NVIDIA dan Quantum Machines mendukung pekerjaan QEC dengan latensi perjalanan data pulang-pergi di bawah 4µs

Tantangan dan prospek ke depan

Implikasi dari Google

  • Google menunjukkan bahwa qubit logis dapat melampaui qubit fisik, sehingga membuka jalan menuju komputasi kuantum toleran-kesalahan (fault tolerance)
  • Dengan membuktikan bahwa tingkat kesalahan logis menurun secara eksponensial, riset ini menunjukkan potensi untuk menjalankan komputasi kuantum yang kompleks

Agenda riset berikutnya

  • Peningkatan kecepatan decoder dan kalibrasi otomatis
  • Pengembangan strategi mitigasi kesalahan yang lebih cepat
  • Perancangan sistem kontrol terintegrasi antara tugas kuantum dan klasik
  • Diperlukan sistem yang melengkapi loop umpan balik real-time agar kesalahan dapat diperbaiki sebelum terakumulasi

Bacaan terkait

2 komentar

 
GN⁺ 2024-11-24
Komentar Hacker News

  • Saya ragu apakah penjelasan ini benar-benar bagus. Dari bagian pembukanya saja sudah mengganjal: dikatakan bahwa pada komputer klasik, memori yang tahan kesalahan memperbaiki bit dengan menggandakannya lalu memakai suara mayoritas, padahal dalam praktiknya yang dipakai adalah koreksi kesalahan seperti ECC, bukan penggandaan bit dan suara mayoritas
    Efek yang sama bisa dicapai dengan bit tambahan yang jauh lebih sedikit, jadi menggandakan bit sangat boros. Mungkin ini tertukar dengan rangkaian logika, yang memang tidak punya strategi yang lebih efisien

    • Dari sudut pandang fisikawan, koreksi kesalahan klasik memang tidak selalu berupa kode pengulangan sederhana, tetapi konsep redundansi informasi tetap berlaku. Contohnya pemeriksaan paritas
      Dalam koreksi kesalahan kuantum, karena teorema no-cloning, redundansi tidak bisa dipakai begitu saja. Sebagai gantinya, lebih banyak qubit digunakan untuk meng-embed subruang qubit ke dalam ruang yang lebih besar. Ketika terjadi kesalahan yang dapat dikoreksi, subruang yang ter-embed ini berpindah ke “posisi” lain di dalam ruang besar tersebut; perpindahan ini dapat dideteksi lalu dikembalikan tanpa mengganggu keadaan internal subruang, sehingga informasi kuantum tetap terjaga
    • Itu poin yang benar, tetapi ada fakta tambahan yang menarik. Sinyal listrik di dalam prosesor klasik atau chip logika digital tersusun dari banyak elektron, dan elektron tidak berperilaku sepenuhnya ideal, sehingga penyimpangan sering terjadi
      Apakah sinyal ditafsirkan sebagai 0 atau 1 bergantung pada ke arah mana mayoritas elektron bergerak. Semakin rendah dayanya, semakin sedikit elektron per sinyal dan semakin banyak kesalahan. Dalam arti itu, perangkat seperti komputer klasik atau serat optik pun bisa dianggap memiliki kode pengulangan pada level substrat perangkat keras
    • Ini terlihat seperti kesalahan yang mungkin dibuat LLM. Hampir mustahil manusia mencampuradukkan koreksi kesalahan dengan “suara mayoritas”/konsensus
    • Saya juga berhenti di bagian itu. Suara mayoritas memang dipakai di industri seperti penerbangan, tetapi tetap untuk memverifikasi hasil komputasi, bukan diterapkan ke setiap alamat memori
    • Jika ditafsirkan agak longgar, memori komputer klasik bisa dianggap bergantung pada replikasi/suara mayoritas implisit dalam bentuk memperbesar ukuran sel tiap bit. Ini mirip dengan mengubah transmisi berulang lewat kabel menjadi baud rate rendah dan mempertahankan level sinyal lebih lama
      Bit tidak disimpan dalam satu atom atau satu elektron. Sel yang menyimpan satu bit bisa dipandang sebagai kumpulan sel-sel lebih kecil yang menyimpan nilai yang sama secara redundan dan terhubung paralel; saat dibaca, jumlah muatan total di dalam sel memori dibaca, sehingga bentuk analog dari suara mayoritas terjadi secara otomatis
      Bergantung pada seberapa abstrak kita membicarakan komputer, terutama saat membandingkan komputer kuantum dan komputer klasik, memori bisa berarti bukan hanya RAM, melainkan semua hal yang menyimpan keadaan; komputer klasik juga bisa mencakup bukan hanya desktop, tetapi rangkaian logika sederhana. Pada dasarnya komputer desktop pun adalah rangkaian logika raksasa
      Ada juga RAID-1, dan pada level yang lebih tinggi ada cadangan. Jadi menurut saya ada cukup banyak contoh nyata penggunaan replikasi untuk ketahanan kesalahan pada komputer klasik

  • Luar biasa mereka membuat situs web yang, saat zoom browser diubah, semuanya membesar kecuali teks isi artikel

    • Ukuran font root ditetapkan berdasarkan lebar penuh layar (1.04vw), sementara gaya lainnya memakai satuan rem
      Saya baru pertama kali melihat cara seperti ini. Ini mungkin hampir satu-satunya cara untuk mengakali zoom browser
    • Hal seperti ini seharusnya dilarang oleh hukum. Orang waras mana yang menginginkannya
    • Karena cara ini dan CSS lainnya, menariknya di ponsel mode potret masih cukup terbaca, tetapi dalam mode lanskap tulisannya menjadi sangat kecil

  • Sebagai referensi, makalah yang disebut di sini dipublikasikan pada 27 Agustus 2024
    https://arxiv.org/pdf/2408.13687

  • Saya masih menantikan ke mana arah komputasi kuantum, tetapi standar untuk “terobosan” sudah berubah. Sampai komputer kuantum bisa melakukan faktorisasi hasil kali bilangan prima yang lebih besar dari beberapa bit, saya akan menganggapnya paling-paling sebagai pekerjaan yang masih berjalan

    • Meski jumlah qubit berlipat dua setiap tahun, metrik angka terbesar yang berhasil difaktorkan bisa tampak tidak mengalami kemajuan selama sekitar 8 tahun. Setelah itu, ukuran angka yang dapat difaktorkan akan berlipat dua setiap tahun, dan total sekitar 15 tahun kemudian RSA2048 akan jebol
      Kemandekan awal terjadi karena biaya koreksi kesalahan sangat menumpuk di bagian depan. Bergantung pada minat Anda, ketidakpekaan awal metrik ini bisa bagus karena mengurangi distraksi, atau buruk karena tidak menunjukkan kemajuan nyata dengan benar. Misalnya jika laju perbaikan sebenarnya bukan 2 kali lipat per tahun melainkan 10 kali lipat, kita bisa butuh 3 tahun untuk menyadari bahwa RSA2048 akan jebol dalam 2 tahun, bukan 12 tahun
    • Seperti kebanyakan proyek semacam ini, sepertinya di tengah jalan akan ada rangkaian terobosan atau tonggak yang lebih kecil dan kurang mencolok
    • Setuju. Saya bukan pakar di bidang ini, tetapi sudah lama mengikutinya sebagai penggemar yang optimistis, dan belakangan saya perlahan menaikkan probabilitas dugaan bahwa komputasi kuantum mungkin tidak akan pernah menjadi alternatif yang layak secara komersial untuk menggantikan komputasi klasik mutakhir dalam memecahkan masalah nyata yang bernilai
      Saya tidak cukup tahu untuk menyampaikan argumen rinci, tetapi setiap kali membaca liputan yang menganggap “tentu saja sulit, tetapi pada akhirnya akan tercapai” sebagai sesuatu yang sudah pasti, kekhawatiran itu muncul. Saya setuju bahwa secara teoretis algoritma kuantum dapat memecahkan masalah nyata yang bernilai, tetapi untuk sampai pada tahap “menjadi pengganti yang layak secara komersial dan memecahkan masalah nyata”, tampaknya masih ada banyak unknown unknowns
      Rasanya juga mungkin kita menemukan batas fundamental yang mencegah rekayasa solusi pada skala yang cukup andal dan hemat biaya. Saya ingin mendengar bantahan bahwa kini kita bisa cukup yakin bahwa yang tersisa sebagian besar hanyalah “rekayasa yang sangat sulit”
    • Setiap kali melihat terobosan komputasi kuantum, pertanyaan pertama saya selalu “apakah kriptografi saya masih aman?” Untuk saat ini jawabannya tampaknya masih mendekati ya
    • Sebelum mencapai titik itu, mungkin akan ada sekitar seribu terobosan dulu

  • Dalam komputasi kuantum, saya tidak benar-benar tahu setiap kemajuan akan menghasilkan apa, tetapi saya tahu bahwa suatu hari nanti semua kunci keamanan yang saya buat dan algoritma kriptografi di semua perangkat lunak harus diganti, jadi saya terekspos pada risiko komputasi kuantum
    Seberapa dekat pencapaian ini membawa kita ke kiamat kriptografi kuantum? Berapa banyak waktu tersisa sebelum saya harus memasukkannya sebagai anggaran dalam rencana engineering kuartalan?

    • Mungkin tidak begitu. Kecuali ada terobosan yang benar-benar mendadak dan tak terduga, penggunaan algoritma tahan kuantum akan menjadi praktik terbaik jauh sebelum masalah ini menjadi penting secara realistis
      Secara praktis, hanya kriptografi kunci publik yang bermasalah, sedangkan kunci simetris baik-baik saja. Ini sedikit penyederhanaan, tetapi pada kenyataannya secara umum benar
    • Cukup fokus pada kriptografi asimetris dan DH. Jika kunci simetrisnya 256-bit, sisi itu seharusnya baik-baik saja
      Idealnya, sebagian besar hanya akan menjadi semacam “upgrade ke versi terbaru openssl / openssh / golang-crypto, dll., dan pastikan pengaturan handshake memakai algoritma kriptografi terbaru”. Namun, karena berbagai alasan manusiawi, hampir belum ada kesepakatan tentang cara mengubah protokol, jadi ini masih jauh
      Suatu hari nanti kita juga harus membuat kunci asimetris baru, dan di situlah sepertinya akan menarik. Solusi berbasis hardware saat ini belum ada, dan kemungkinan akan memakan waktu lama. Perusahaan ingin memenuhi standar pemerintah federal AS karena regulasi dan penjualan ke pemerintah federal, sementara pemerintah federal menstandarkan protokol dengan sangat lambat dan tampaknya ingin menambahkan lebih banyak algoritma autentikasi; persetujuan standar terkait, FIPS 140, bahkan sekarang memakan waktu lebih dari setahun hanya untuk proses dokumen, padahal semua orang ingin bergerak lebih cepat. Software bisa bergerak lebih cepat dari sisi pengembangan, tetapi tetap membawa kompromi umum yang membuat pencurian kunci lebih mudah serta masalah sertifikasi resmi
    • Model ancaman utamanya adalah data yang dikumpulkan sekarang lewat pengawasan skala besar, yang saat ini tidak bisa dipecahkan, nantinya menjadi bisa didekripsi
      Karena itu, mekanisme keamanan “aman kuantum” baru sudah sedang dikembangkan
    • Sepertinya tidak ada yang tahu secara pasti, dan banyak tebakan yang mengada-ada
      Jika Anda punya kunci yang harus bertahan selama 20 tahun, sebaiknya coba algoritma standar yang baru disetujui NIST

  • Apakah ada orang di HN yang mengerti seberapa dekat pencapaian ini membawa kita ke komputer kuantum yang berguna

    • Ini materi promosi berlebihan lain dari organisasi R&D Google. Ini penerapan teoretis untuk meningkatkan jumlah qubit logis dalam sistem dengan mengurangi error yang terjadi di sirkuit kuantum, tetapi bagian terakhirnya belum dilakukan, jadi kelayakan penerapan nyatanya masih harus dilihat
      https://arxiv.org/abs/2408.13687
      “Our results present device performance that, if scaled, could realize the operational requirements of large scale fault-tolerant quantum algorithms.”
      Sepertinya Google lupa menguji apakah ini bisa diskalakan
    • Fakta bahwa ada subbagian berorientasi masa depan berjudul “visi fault tolerance”, yang hampir seluruhnya berisi omong kosong lalu ditutup dengan “kami baru saja memulai perjalanan menarik ini, nantikan kelanjutannya!”, berarti sama sekali belum dekat

  • Ini tidak terasa seperti terobosan. Memang benar ini kemajuan engineering yang positif, tetapi bukan terobosan
    Dan apa hubungannya AI dengan ini

    • Ini bukan inti makalahnya, tetapi Google menguji decoder jaringan neural dan itu memberikan akurasi tertinggi. Selain itu, beberapa decoder lain menggunakan prior yang ditemukan melalui reinforcement learning untuk meningkatkan akurasi