Google odhaluje, jak mohou kvantové počítače překonat moderní superpočítače

Google odhaluje, jak mohou kvantové počítače překonat moderní superpočítače

Od doby, kdy byly na počátku osmdesátých let vytvořeny první kvantové počítače, vědci doufali v den, kdy tato zařízení Dokáže vyřešit problémy, které jsou pro klasické počítače příliš obtížné. Za posledních pět let tyto stroje vlastně začaly zpochybňovat své klasické protějšky – i když definitivní vítězství nad nimi bylo zatím v nedohlednu.

V současné fázi bitvy o takzvanou „kvantovou výhodu“ vědci Google tvrdí, že určili podmínky, za kterých Kvantové počítače mohou překonat své klasické kolegy. Aby porozuměli těmto podmínkám, použili kvantový procesor nazvaný Sycamore ke spuštění náhodného vzorkování obvodu (RCS), jednoduchého kvantového algoritmu, který v podstatě vytváří náhodnou sekvenci hodnot.

Tým analyzoval výstup Sycamore a zjistil, že by mohl být „oklamán“ nebo poražen klasickými superpočítači v režimu s vysokým šumem při běhu RCS. Když se však poruchy snížily na určitý práh, Sycamoreův výpočet se stal tak složitým, že provedení spoofu bylo prakticky nemožné – odhadovalo se, že nejrychlejšímu klasickému superpočítači na světě by to trvalo deset bilionů let. Toto uvědomění bylo zpočátku v předtisku informoval server arXiv minulý rok a dnes v Nature 1 zveřejněno.

Kvantoví experti zdůrazňují, že to představuje přesvědčivý důkaz, že Sycamore je schopen překonat jakýkoli klasický počítač s RCS. V roce 2019 Google oznámil, že jeho kvantový počítač by mohl provozovat RCS a dosáhnout kvantové výhody. Od té doby však klasické počítače prováděly algoritmus rychleji, než se předpokládalo, což negovalo předpokládanou výhodu. Michael Foss-Feig, výzkumník v oblasti kvantových počítačů v softwarové společnosti Quantinuum v Broomfieldu v Coloradu, vysvětluje: „Google odvedl skvělou práci při objasňování a opravě mnoha známých problémů s RCS.“ Nové výsledky ukazují, jak velký šum mohou mít kvantové počítače a stále porážejí klasické počítače.

Pokračující konkurence mezi klasickými a kvantovými počítači je hnacím faktorem v této oblasti, tvrdí Chao-Yang Lu, kvantový fyzik na Šanghajské univerzitě vědy a technologie. Tato soutěž motivovala výzkumníky k budování větších a kvalitnějších kvantových počítačů.

Nejnovější výsledek Googlu však neznamená, že kvantové počítače nahradí klasické počítače. Sycamore například neumí provádět typické operace běžného počítače, jako je ukládání fotografií nebo odesílání e-mailů. Sergio Boixo, vedoucí projektu kvantových počítačů Google v Santa Barbaře v Kalifornii, vysvětluje: „Kvantové počítače nejsou rychlejší – jsou jiné.“ V konečném důsledku jsou určeny k provádění klasicky nemožných – a užitečných – úkolů, jako je přesné simulování chemických reakcí.

Procesor Sycamore vypadá podobně jako křemíkové čipy, které pohánějí každodenní notebooky, ale je speciálně vytvořen tak, aby s kvantovou přesností řídil elektrony, které jím protékají. Aby se snížily teplotní výkyvy, které by zničily choulostivé stavy elektronů a zavedly šum, je čip udržován při ultra nízkých teplotách blízkých absolutní nule.

Místo klasických bitů (které jsou vždy buď 0 nebo 1) používá kvantový čip qubity, které využívají schopnost elektronů být ve směsi stavů. Kvantový počítač může provádět některé úkoly s použitím exponenciálně méně qubitů, než kolik by potřeboval klasický počítač. Například klasický počítač vyžaduje ke spuštění algoritmu RCS 1 024 bitů, zatímco kvantový počítač vyžaduje pouze 10 qubitů.

Před pěti lety o tom v Nature informoval tým výzkumníků Google 2, že klasickému superpočítači by trvalo 10 000 let, než by znovu vytvořil 200sekundový běh RCS na jejich 53qubitovém počítači. Téměř okamžitě se tvrzení dostalo pod palbu; Výzkumníci technologického gigantu IBM zveřejnili předtisk online 3, který naznačoval, že superpočítač by skutečně mohl úkol dokončit za pár dní. V červnu Lu a jeho kolegové použili výkonné klasické počítače, aby zfalšovali výsledek za něco málo přes minutu 4.

Výsledek Googlu za rok 2019 není jediný, který postihly klasické padělky. V červnu 2023 oznámili výzkumníci IBM a další důkazy 5 že jejich 127 qubitový počítač mohl vyřešit potenciálně užitečné matematické problémy, které „přesahují brutální klasické výpočty“. Během několika týdnů ukázalo několik studií 6, 7 že klasické přístupy by mohly nadále soutěžit.

Boixo a jeho kolegové chtěli pochopit, jak hluk činí kvantové počítače zranitelnými vůči klasickým padělkům. Zjistili, že i nepatrné rozdíly v chybovosti qubitů – z 99,4 % bez chyb na 99,7 % – způsobují, že se Sycamore chová, jako by byl v novém stavu, podobně jako se hmota mění z pevné látky na kapalnou.

"Hluk] dělá ze systému něco klasického," říká Boixo. Jakmile aktualizovaná verze Sycamore s 67 qubity překročila určitý práh šumu, bylo klasicky nemožné simulovat jeho RCS výstup.

Během posledních dvou let se pokusy překonat klasické superpočítače zaměřily také na snížení qubitového šumu. Foss-Feig a jeho kolegové spustili RCS na 56-qubitovém kvantovém počítači s nízkou chybovostí 8 přes. S lepšími qubity, říká, „klasické počítače již nemohou konkurovat kvantovým počítačům, alespoň pro RCS“.

Jednoho dne vědci doufají, že kvantové počítače budou dostatečně velké a bez chyb, aby se dostaly za hranice konfliktu mezi kvantovými a klasickými počítači. Zatím se spokojili s bojem. "Pokud nemůžete získat výhodu v RCS, nejjednodušší z aplikací," říká Boixo, "nemyslím si, že můžete vyhrát v žádné jiné aplikaci."

1. Morvan, A. a kol. Příroda 634, 328–333 (2024).

   Článek Google Scholar

2. Arute, F. a kol. Příroda 574, 505–510 (2019).

   Článek PubMed Google Scholar

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

4. Zhao, X.-H. a kol. Předtisk na arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. a kol. Příroda 618, 500–505 (2023).

   Článek PubMed Google Scholar

6. Tindall, J. a kol. Předtisk na arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.14887 (2023).

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

8. DeCross, M. a kol. Předtisk na arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Stáhněte si reference