Google разкрива как квантовите компютри могат да надминат съвременните суперкомпютри

Google разкрива как квантовите компютри могат да надминат съвременните суперкомпютри

Откакто първите квантови компютри бяха замислени в началото на 80-те години на миналия век, изследователите се надяваха да дойде деня, когато тези устройства Може да решава проблеми, които са твърде трудни за класически компютри. През последните пет години тези машини всъщност започнаха да предизвикват своите класически двойници - въпреки че окончателната победа над тях досега беше неуловима.

В настоящата фаза на битката за така нареченото „квантово предимство“, изследователите на Google казват, че са определили условията, при които Квантови компютри могат да надминат класическите си колеги. За да разберат тези условия, те използваха квантов процесор, наречен Sycamore, за да изпълнят произволна схема за вземане на проби (RCS), прост квантов алгоритъм, който по същество произвежда произволна последователност от стойности.

Екипът анализира изхода на Sycamore и установи, че той може да бъде "измамен" или победен от класически суперкомпютри в режим с висок шум, докато работи RCS. Въпреки това, когато смущенията намаляха до определен праг, изчислението на Sycamore стана толкова сложно, че извършването на измама беше ефективно невъзможно - беше изчислено, че това ще отнеме на най-бързия класически суперкомпютър в света десет трилиона години. Това осъзнаване беше първоначално в предпечат докладвани на сървъра arXiv миналата година и днес в Nature 1 публикувани.

Квантовите експерти подчертават, че това представлява убедително доказателство, че Sycamore е в състояние да превъзхожда всеки класически компютър, работещ с RCS. През 2019 г. Google съобщи, че неговият квантов компютър може да работи с RCS и да постигне квантово предимство. Оттогава обаче класическите компютри изпълняват алгоритъма по-бързо от очакваното, отричайки предполагаемото предимство. Майкъл Фос-Фейг, изследовател на квантовите изчисления в софтуерната компания Quantinuum в Брумфийлд, Колорадо, обяснява: „Google свърши отлична работа, като изясни и поправи много известни проблеми с RCS.“ Новите резултати показват колко много шум могат да имат квантовите компютри и все пак да победят класическите компютри.

Продължаващата конкуренция между класическите и квантовите компютри е движещ фактор в тази област, според Чао-Янг Лу, квантов физик в Шанхайския университет за наука и технологии. Това състезание мотивира изследователите да създават по-големи и по-качествени квантови компютри.

Последният резултат на Google обаче не означава, че квантовите компютри ще изместят класическите компютри. Например Sycamore не може да изпълнява типични операции на обикновен компютър, като запазване на снимки или изпращане на имейли. Sergio Boixo, ръководител на проекта за квантови изчисления на Google в Санта Барбара, Калифорния, обяснява: "Квантовите компютри не са по-бързи - те са различни." Те в крайна сметка са предназначени да изпълняват класически невъзможни — и полезни — задачи, като точно симулиране на химични реакции.

Процесорът Sycamore изглежда подобен на силициевите чипове, които захранват ежедневните лаптопи, но е специално изработен, за да контролира електроните, протичащи през него с квантова прецизност. За да се намалят температурните колебания, които биха разрушили деликатните състояния на електроните и биха въвели шум, чипът се поддържа при ултраниски температури близо до абсолютната нула.

Вместо класическите битове (които винаги са 0 или 1), квантовият чип използва кубити, които използват способността на електроните да бъдат в смес от състояния. Квантовият компютър може да изпълнява някои задачи, използвайки експоненциално по-малко кубити от битовете, от които класическият компютър би се нуждаел. Например класическият компютър изисква 1024 бита, за да изпълни RCS алгоритъма, докато квантовият компютър изисква само 10 кубита.

Преди пет години екип от изследователи на Google съобщи в Nature 2, че на класически суперкомпютър ще са необходими 10 000 години, за да пресъздаде 200-секундно RCS изпълнение на техния 53-кубитов компютър. Почти веднага искът беше подложен на критика; Изследователи от технологичния гигант IBM публикуваха предпечат онлайн 3, което предполага, че суперкомпютър действително може да изпълни задачата за няколко дни. През юни Лу и колегите му използваха мощни класически компютри, за да фалшифицират резултата за малко повече от минута 4.

Резултатът на Google за 2019 г. не е единственият, засегнат от класически фалшификати. През юни 2023 г. изследователи на IBM и други докладваха доказателства 5 че техният 127 qubit компютър може да реши потенциално полезни математически проблеми, които „надхвърлят бруталните класически изчисления“. В рамките на няколко седмици няколко проучвания показаха 6, 7 че класическите подходи могат да продължат да се конкурират.

Boixo и колегите му искаха да разберат как шумът прави квантовите компютри уязвими за класически фалшификати. Те откриха, че дори малки разлики в процента на грешка в кубита - от 99,4% без грешки до 99,7% - карат Sycamore да се държи така, сякаш е в ново състояние, подобно на това как материята се променя от твърдо в течно.

„Това, което [шумът] прави, е, че превръща системата в нещо класическо“, казва Boixo. След като актуализирана версия на Sycamore с 67 кубита превиши определен праг на шума, неговият RCS изход стана класически невъзможен за симулиране.

През последните две години опитите да се надминат класическите суперкомпютри също се фокусираха върху намаляването на шума от кубитите. Фос-Фейг и колегите му проведоха RCS на 56-кубитов квантов компютър с нисък процент грешки 8 чрез. С по-добри кубити, казва той, "класическите компютри вече не могат да се конкурират с квантовите компютри, поне за RCS."

Един ден изследователите се надяват, че квантовите компютри ще бъдат достатъчно големи и без грешки, за да преминат отвъд конфликта между квантовите и класическите компютри. Засега те са доволни да се бият. „Ако не можете да спечелите предимство в RCS, най-простото от приложенията“, казва Boixo, „не мисля, че можете да спечелите в което и да е друго приложение.“

1. Morvan, A. et al. Nature 634, 328–333 (2024).

   статия Google Наука

2. Arute, F. et al. Nature 574, 505–510 (2019).

   статия PubMed Google Наука

3. Pednault, E., Gunnels, JA, Nannicini, G., Horesh, L. & Wisnieff, R. Preprint в arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.1910.09534 (2019 г.).

4. Джао, X.-H. и др. Предпечат в arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. et al. Nature 618, 500–505 (2023).

   статия PubMed Google Наука

6. Tindall, J. et al. Предпечат в arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.14887 (2023).

7. Begušić, T. & Kin-Lic Chan, G. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.16372 (2023).

8. DeCross, M. et al. Предпечат в arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Изтегляне на препратки