Google paljastab, kuidas kvantarvutid võivad ületada tänapäevaseid superarvuteid

Google paljastab, kuidas kvantarvutid võivad ületada tänapäevaseid superarvuteid

Alates esimeste kvantarvutite loomisest 1980. aastate alguses on teadlased lootnud päevale, mil need seadmed Oskab lahendada probleeme, mis on klassikaliste arvutite jaoks liiga keerulised. Viimase viie aasta jooksul on need masinad hakanud oma klassikalistele kolleegidele väljakutseid esitama – kuigi lõplik võit nende üle on seni olnud tabamatu.

Praeguses nn kvanteelise võitluse etapis on Google'i teadlaste sõnul kindlaks määranud tingimused, mille alusel Kvantarvutid võivad oma klassikalisi kolleege edestada. Nende tingimuste mõistmiseks kasutasid nad kvantprotsessorit nimega Sycamore, et käivitada juhusliku vooluringi valimi (RCS) - lihtne kvantalgoritm, mis loob sisuliselt juhusliku väärtuste jada.

Meeskond analüüsis Sycamore'i väljundit ja leidis, et klassikalised superarvutid võivad seda RCS-i töötamise ajal suure müratasemega režiimis "petta" või lüüa. Kui aga häired kahanesid teatud läveni, muutus Sycamore’i arvutus nii keeruliseks, et pettuse sooritamine oli sisuliselt võimatu – hinnanguliselt kulub maailma kiireimal klassikalisel superarvutil kümme triljonit aastat. See arusaam oli esialgu eeltrükis teatas arXiv serveris eelmisel aastal ja täna ajakirjas Nature 1 avaldatud.

Kvanteksperdid rõhutavad, et see on veenvad tõendid selle kohta, et Sycamore on võimeline ületama mis tahes klassikalist RCS-i kasutavat arvutit. 2019. aastal teatas Google, et tema kvantarvuti võib käitada RCS-i ja saavutada kvanteelise. Sellest ajast alates on klassikalised arvutid aga algoritmi täitnud arvatust kiiremini, muutes eeldatava eelise olematuks. Colorado osariigis Broomfieldis asuva tarkvarafirma Quantinuumi kvantarvutusteadlane Michael Foss-Feig selgitab: "Google on teinud suurepärast tööd paljude teadaolevate RCS-i probleemide selgitamisel ja parandamisel." Uued tulemused näitavad, kui palju müra võib kvantarvutitel olla ja see ikka ületab klassikalisi arvuteid.

Shanghai teadus- ja tehnoloogiaülikooli kvantfüüsiku Chao-Yang Lu sõnul on selles valdkonnas käimasolev konkurents klassikaliste ja kvantarvutite vahel. See konkurss on motiveerinud teadlasi ehitama suuremaid ja kvaliteetsemaid kvantarvuteid.

Google'i viimane tulemus ei tähenda aga, et kvantarvutid asendaksid klassikalisi arvuteid. Näiteks ei saa Sycamore teha tavalise arvuti tavalisi toiminguid, nagu fotode salvestamine või e-kirjade saatmine. Californias Santa Barbaras asuva Google'i kvantarvutite projekti juht Sergio Boixo selgitab: "Kvantarvutid pole kiiremad – need on erinevad." Lõppkokkuvõttes on need ette nähtud klassikaliselt võimatute ja kasulike ülesannete täitmiseks, näiteks keemiliste reaktsioonide täpne simuleerimine.

Sycamore'i protsessor näeb välja sarnane ränikiipidega, mis toidavad igapäevaseid sülearvuteid, kuid on spetsiaalselt loodud kontrollima läbi selle voolavaid elektrone kvanttäpsusega. Temperatuurikõikumiste vähendamiseks, mis hävitaksid elektronide õrna oleku ja tekitaksid müra, hoitakse kiipi absoluutse nulli lähedal ülikülmal temperatuuril.

Klassikaliste bittide (mis on alati kas 0 või 1) asemel kasutab kvantkiip kubitte, mis kasutavad ära elektronide võimet olla olekute segus. Kvantarvuti suudab mõningaid ülesandeid täita, kasutades eksponentsiaalselt vähem kubitte, kui klassikalisel arvutil vaja oleks. Näiteks klassikaline arvuti vajab RCS-algoritmi käitamiseks 1024 bitti, samas kui kvantarvuti vaid 10 kubitti.

Viis aastat tagasi teatas Google'i teadlaste meeskond ajakirjas Nature 2, et klassikalisel superarvutil kuluks 10 000 aastat, et 200-sekundiline RCS-i taasluua nende 53-kubitises arvutis. Peaaegu kohe sattus nõue kriitika alla; Tehnoloogiahiiglase IBM teadlased avaldasid veebis eeltrüki 3, mis viitas sellele, et superarvuti suudab ülesandega tegelikult hakkama saada mõne päevaga. Juunis kasutasid Lu ja ta kolleegid võimsaid klassikalisi arvuteid, et tulemus veidi enam kui minutiga võltsida 4.

Google'i 2019. aasta tulemus ei ole ainus, mida klassikalised võltsingud mõjutasid. 2023. aasta juunis esitasid IBM-i teadlased ja teised tõendid 5 et nende 127 kubitine arvuti võib lahendada potentsiaalselt kasulikke matemaatilisi probleeme, mis "menevad jõhkratest klassikalistest arvutustest kaugemale". Mõne nädala jooksul näitasid mitmed uuringud 6, 7 et klassikalised lähenemised võiksid jätkuvalt konkureerida.

Boixo ja tema kolleegid soovisid mõista, kuidas müra muudab kvantarvutid klassikaliste võltsimiste suhtes haavatavaks. Nad leidsid, et isegi väikesed erinevused kubiti veamääras – 99,4%-lt veavabalt 99,7%-ni – põhjustavad Sycamore’i käitumist nii, nagu oleks see uues olekus, sarnaselt sellele, kuidas aine muutub tahkest olekust vedelaks.

"See, mida [müra] teeb, muudab süsteemi millekski klassikaliseks, " ütleb Boixo. Kui Sycamore'i uuendatud versioon 67 kubitiga ületas teatud müraläve, muutus selle RCS-väljundi simuleerimine klassikaliselt võimatuks.

Viimase kahe aasta jooksul on katsed ületada klassikalisi superarvuteid on keskendunud ka kubitimüra vähendamisele. Foss-Feig ja tema kolleegid käitasid RCS-i 56-kvbitises kvantarvutis madala veamääraga 8 läbi. Ta ütleb, et paremate kubitite korral ei saa klassikalised arvutid enam kvantarvutitega konkureerida, vähemalt RCS-i osas.

Ühel päeval loodavad teadlased, et kvantarvutid on piisavalt suured ja veavabad, et jõuda kaugemale kvant- ja klassikaliste arvutite vahelisest konfliktist. Praegu on nad võitlusega rahul. "Kui te ei saa RCS-is eelist, on kõige lihtsam rakendus," ütleb Boixo, "ma ei usu, et võite üheski teises rakenduses võita."

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

   Artikkel Google Scholar

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

   Artikkel 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. et al. Eeltrükk aadressil arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

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

   Artikkel PubMed Google Scholar

6. Tindall, J. et al. Eeltrükk aadressil 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. Eeltrükk aadressil arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Laadige alla viited