Η Google αποκαλύπτει πώς οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να ξεπεράσουν τους σύγχρονους υπερυπολογιστές

Η Google αποκαλύπτει πώς οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να ξεπεράσουν τους σύγχρονους υπερυπολογιστές

Από τότε που δημιουργήθηκαν οι πρώτοι κβαντικοί υπολογιστές στις αρχές της δεκαετίας του 1980, οι ερευνητές ήλπιζαν την ημέρα που αυτές οι συσκευές Μπορεί να λύσει προβλήματα που είναι πολύ δύσκολα για τους κλασικούς υπολογιστές. Τα τελευταία πέντε χρόνια, αυτά τα μηχανήματα άρχισαν πραγματικά να αμφισβητούν τα κλασικά αντίστοιχά τους - αν και η οριστική νίκη εναντίον τους ήταν μέχρι στιγμής άπιαστη.

Σε μια τρέχουσα φάση της μάχης για το λεγόμενο «κβαντικό πλεονέκτημα», οι ερευνητές της Google λένε ότι έχουν καθορίσει τις συνθήκες υπό τις οποίες Κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να ξεπεράσουν τους κλασικούς συναδέλφους τους. Για να κατανοήσουν αυτές τις συνθήκες, χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό επεξεργαστή που ονομάζεται Sycamore για να εκτελέσει τυχαία δειγματοληψία κυκλωμάτων (RCS), έναν απλό κβαντικό αλγόριθμο που ουσιαστικά παράγει μια τυχαία ακολουθία τιμών.

Η ομάδα ανέλυσε την έξοδο του Sycamore και διαπίστωσε ότι θα μπορούσε να «ξεγελαστεί» ή να νικηθεί από κλασικούς υπερυπολογιστές σε λειτουργία υψηλού θορύβου ενώ εκτελούσε το RCS. Ωστόσο, όταν οι διαταραχές μειώθηκαν σε ένα ορισμένο όριο, ο υπολογισμός του Sycamore έγινε τόσο περίπλοκος που η εκτέλεση μιας πλαστογραφίας ήταν ουσιαστικά αδύνατη - υπολογίστηκε ότι θα χρειαζόταν ο ταχύτερος κλασικός υπερυπολογιστής στον κόσμο δέκα τρισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή η συνειδητοποίηση ήταν αρχικά σε προεκτύπωση αναφέρθηκε στον διακομιστή arXiv πέρυσι και σήμερα στο Nature 1 δημοσιευμένο.

Οι ειδικοί του Quantum τονίζουν ότι αυτό αντιπροσωπεύει ακαταμάχητη απόδειξη ότι το Sycamore είναι ικανό να ξεπεράσει κάθε κλασικό υπολογιστή που τρέχει RCS. Το 2019, η Google ανέφερε ότι ο κβαντικός υπολογιστής της θα μπορούσε να τρέξει RCS και να επιτύχει κβαντικό πλεονέκτημα. Από τότε, ωστόσο, οι κλασικοί υπολογιστές έχουν εκτελέσει τον αλγόριθμο πιο γρήγορα από ό,τι είχε υπολογιστεί, αναιρώντας το υποτιθέμενο πλεονέκτημα. Ο Michael Foss-Feig, ερευνητής κβαντικών υπολογιστών στην εταιρεία λογισμικού Quantinuum στο Broomfield του Κολοράντο, εξηγεί: «Η Google έκανε εξαιρετική δουλειά διευκρινίζοντας και επιλύοντας πολλά γνωστά προβλήματα με το RCS». Τα νέα αποτελέσματα δείχνουν πόσο θόρυβο μπορούν να έχουν οι κβαντικοί υπολογιστές και εξακολουθούν να κερδίζουν τους κλασικούς υπολογιστές.

Ο συνεχής ανταγωνισμός μεταξύ κλασικών και κβαντικών υπολογιστών είναι ένας κινητήριος παράγοντας σε αυτόν τον τομέα, σύμφωνα με τον Chao-Yang Lu, έναν κβαντικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Σαγκάης. Αυτός ο διαγωνισμός έχει παρακινήσει τους ερευνητές να κατασκευάσουν μεγαλύτερους και υψηλότερης ποιότητας κβαντικούς υπολογιστές.

Ωστόσο, το τελευταίο αποτέλεσμα της Google δεν σημαίνει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα αντικαταστήσουν τους κλασικούς υπολογιστές. Για παράδειγμα, το Sycamore δεν μπορεί να εκτελέσει τυπικές λειτουργίες ενός κανονικού υπολογιστή, όπως αποθήκευση φωτογραφιών ή αποστολή email. Ο Sergio Boixo, επικεφαλής του προγράμματος κβαντικών υπολογιστών της Google στη Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνια, εξηγεί: «Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι ταχύτεροι – είναι διαφορετικοί». Προορίζονται τελικά να εκτελούν κλασικά αδύνατες —και χρήσιμες— εργασίες, όπως η ακριβής προσομοίωση χημικών αντιδράσεων.

Ο επεξεργαστής Sycamore μοιάζει με τα τσιπ πυριτίου που τροφοδοτούν καθημερινούς φορητούς υπολογιστές, αλλά είναι ειδικά κατασκευασμένος για να ελέγχει τα ηλεκτρόνια που ρέουν μέσα από αυτόν με κβαντική ακρίβεια. Για να μειωθούν οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που θα καταστρέφουν τις ευαίσθητες καταστάσεις των ηλεκτρονίων και θα εισάγουν θόρυβο, το τσιπ διατηρείται σε εξαιρετικά κρύες θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Αντί για κλασικά bit (τα οποία είναι πάντα είτε 0 είτε 1), το κβαντικό τσιπ χρησιμοποιεί qubits, τα οποία εκμεταλλεύονται την ικανότητα των ηλεκτρονίων να βρίσκονται σε ένα μείγμα καταστάσεων. Ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να εκτελέσει ορισμένες εργασίες χρησιμοποιώντας εκθετικά λιγότερα qubits από τα bit που θα χρειαζόταν ένας κλασικός υπολογιστής. Για παράδειγμα, ένας κλασικός υπολογιστής απαιτεί 1.024 bit για να εκτελέσει τον αλγόριθμο RCS, ενώ ένας κβαντικός υπολογιστής απαιτεί μόνο 10 qubits.

Πριν από πέντε χρόνια, μια ομάδα ερευνητών της Google ανέφερε στο Nature 2, ότι θα χρειαζόταν ένας κλασικός υπερυπολογιστής 10.000 χρόνια για να αναδημιουργήσει ένα RCS 200 δευτερολέπτων που τρέχει στον υπολογιστή του 53 qubit. Σχεδόν αμέσως ο ισχυρισμός δέχθηκε πυρά. Ερευνητές του τεχνολογικού γίγαντα IBM δημοσίευσαν μια προεκτύπωση στο διαδίκτυο 3, το οποίο πρότεινε ότι ένας υπερυπολογιστής θα μπορούσε πραγματικά να ολοκληρώσει την εργασία σε λίγες μέρες. Τον Ιούνιο, ο Lu και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ισχυρούς κλασικούς υπολογιστές για να παραποιήσουν το αποτέλεσμα σε λίγο περισσότερο από ένα λεπτό 4.

Το αποτέλεσμα της Google για το 2019 δεν είναι το μόνο που επηρεάζεται από τα κλασικά ψεύτικα. Τον Ιούνιο του 2023, ερευνητές της IBM και άλλοι ανέφεραν στοιχεία 5 ότι ο υπολογιστής τους 127 qubit θα μπορούσε να λύσει δυνητικά χρήσιμα μαθηματικά προβλήματα, τα οποία «πηγαίνουν πέρα ​​από τους βάναυσους κλασικούς υπολογισμούς». Μέσα σε λίγες εβδομάδες, αρκετές μελέτες έδειξαν 6, 7 ότι οι κλασικές προσεγγίσεις θα μπορούσαν να συνεχίσουν να ανταγωνίζονται.

Ο Boixo και οι συνεργάτες του ήθελαν να καταλάβουν πώς ο θόρυβος κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές ευάλωτους σε κλασικές πλαστογραφίες. Βρήκαν ότι ακόμη και μικροσκοπικές διαφορές στο ποσοστό σφάλματος qubit - από 99,4% χωρίς σφάλματα σε 99,7% - προκαλούν το Sycamore να συμπεριφέρεται σαν να ήταν σε νέα κατάσταση, παρόμοια με το πώς η ύλη αλλάζει από στερεή σε υγρή.

«Αυτό που κάνει [ο θόρυβος] είναι ότι μετατρέπει το σύστημα σε κάτι κλασικό», λέει ο Boixo. Μόλις μια ενημερωμένη έκδοση του Sycamore με 67 qubits ξεπέρασε ένα συγκεκριμένο όριο θορύβου, η έξοδος RCS του έγινε κλασικά αδύνατη η προσομοίωση.

Τα τελευταία δύο χρόνια, οι προσπάθειες να ξεπεραστούν οι κλασικοί υπερυπολογιστές επικεντρώθηκαν επίσης στη μείωση του θορύβου qubit. Ο Foss-Feig και οι συνεργάτες του έτρεξαν το RCS σε έναν κβαντικό υπολογιστή 56 qubit με χαμηλό ποσοστό σφάλματος 8 διά μέσου. Με καλύτερα qubits, λέει, «οι κλασικοί υπολογιστές δεν μπορούν πλέον να ανταγωνιστούν τους κβαντικούς υπολογιστές, τουλάχιστον για το RCS».

Μια μέρα, οι ερευνητές ελπίζουν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι αρκετά μεγάλοι και χωρίς σφάλματα ώστε να ξεπεράσουν τη σύγκρουση μεταξύ κβαντικών και κλασικών υπολογιστών. Προς το παρόν, είναι ικανοποιημένοι με τη μάχη. "Εάν δεν μπορείτε να κερδίσετε πλεονέκτημα στο RCS, την πιο απλή από τις εφαρμογές", λέει ο Boixo, "δεν νομίζω ότι μπορείτε να κερδίσετε σε καμία άλλη εφαρμογή."

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

   Αρθρο Google Scholar

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

   Αρθρο PubMed Google Scholar

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

4. Zhao, Χ.-Η. et al. Προεκτύπωση στο arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Υ. et αϊ. Nature 618, 500–505 (2023).

   Αρθρο PubMed Google Scholar

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

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

8. DeCross, Μ. et αϊ. Προεκτύπωση στο arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Λήψη παραπομπών