Google otkriva kako kvantna računala mogu nadmašiti moderna superračunala

Google otkriva kako kvantna računala mogu nadmašiti moderna superračunala

Otkako su prva kvantna računala osmišljena ranih 1980-ih, istraživači su se nadali danu kada će ti uređaji Može riješiti probleme koji su preteški za klasična računala. Tijekom posljednjih pet godina, ovi su strojevi zapravo počeli izazivati ​​svoje klasične parnjake - iako je konačna pobjeda nad njima do sada nedostižna.

U trenutnoj fazi bitke za takozvanu 'kvantnu prednost', Googleovi istraživači kažu da su odredili uvjete pod kojima Kvantna računala mogu nadmašiti svoje klasične kolege. Kako bi razumjeli ove uvjete, upotrijebili su kvantni procesor nazvan Sycamore za pokretanje uzorkovanja slučajnog kruga (RCS), jednostavnog kvantnog algoritma koji u biti proizvodi slučajni niz vrijednosti.

Tim je analizirao izlaz Sycamorea i otkrio da ga mogu "prevariti" ili pobijediti klasična superračunala u visokošumnom načinu rada dok radi RCS. Međutim, kada su se smetnje smanjile na određeni prag, Sycamoreov izračun postao je toliko složen da je izvođenje lažiranja bilo zapravo nemoguće - procijenjeno je da bi najbržem klasičnom superračunalu na svijetu trebalo deset bilijuna godina. Ova spoznaja bila je u početku u pretisku objavljeno na serveru arXiv prošle godine i danas u Natureu 1 objavljeno.

Quantum stručnjaci naglašavaju da ovo predstavlja uvjerljiv dokaz da je Sycamore sposoban nadmašiti bilo koje klasično računalo koje pokreće RCS. Godine 2019. Google je izvijestio da bi njegovo kvantno računalo moglo pokrenuti RCS i postići kvantnu prednost. Od tada, međutim, klasična računala izvršavaju algoritam brže od procijenjenog, negirajući navodnu prednost. Michael Foss-Feig, istraživač kvantnog računalstva u softverskoj tvrtki Quantinuum u Broomfieldu, Colorado, objašnjava: "Google je obavio odličan posao razjašnjavajući i popravljajući mnoge poznate probleme s RCS-om." Novi rezultati pokazuju koliko buke kvantna računala mogu imati i još uvijek pobjeđuju klasična računala.

Stalno natjecanje između klasičnih i kvantnih računala pokretački je čimbenik u ovom području, prema Chao-Yang Luu, kvantnom fizičaru sa Šangajskog sveučilišta znanosti i tehnologije. Ovo natjecanje motiviralo je istraživače da izgrade veća i kvalitetnija kvantna računala.

Međutim, posljednji Googleov rezultat ne znači da će kvantna računala zamijeniti klasična računala. Na primjer, Sycamore ne može obavljati tipične radnje običnog računala, poput spremanja fotografija ili slanja e-pošte. Sergio Boixo, voditelj Googleovog projekta kvantnog računalstva u Santa Barbari u Kaliforniji, objašnjava: "Kvantna računala nisu brža - ona su drugačija." Oni su u konačnici namijenjeni obavljanju klasično nemogućih — i korisnih — zadataka, poput točne simulacije kemijskih reakcija.

Procesor Sycamore izgleda slično silicijskim čipovima koji pokreću svakodnevna prijenosna računala, ali je posebno izrađen za kontrolu elektrona koji prolaze kroz njega s kvantnom preciznošću. Kako bi se smanjile temperaturne fluktuacije koje bi uništile osjetljiva stanja elektrona i unijele šum, čip se drži na ultra-niskim temperaturama blizu apsolutne nule.

Umjesto klasičnih bitova (koji su uvijek 0 ili 1), kvantni čip koristi qubitove koji iskorištavaju sposobnost elektrona da budu u mješavini stanja. Kvantno računalo može obavljati neke zadatke koristeći eksponencijalno manje qubita od bitova koji bi bili potrebni klasičnom računalu. Na primjer, klasično računalo zahtijeva 1024 bita za pokretanje RCS algoritma, dok kvantno računalo zahtijeva samo 10 qubita.

Prije pet godina, tim Googleovih istraživača izvijestio je u časopisu Nature 2, da bi klasičnom superračunalu trebalo 10.000 godina da ponovno stvori RCS rad od 200 sekundi na njihovom 53-qubitnom računalu. Gotovo odmah ta se tvrdnja našla na meti kritika; Istraživači tehnološkog diva IBM-a objavili su preprint na internetu 3, što je sugeriralo da bi superračunalo zapravo moglo obaviti zadatak za nekoliko dana. U lipnju su Lu i njegovi kolege upotrijebili moćna klasična računala kako bi lažirali rezultat u nešto više od minute 4.

Googleov rezultat za 2019. godinu nije jedini pogođen klasičnim lažnjacima. U lipnju 2023. IBM-ovi istraživači i drugi izvijestili su o dokazima 5 da je njihovo 127 qubitno računalo mogao riješiti potencijalno korisne matematičke probleme, koji "nadilaze brutalne klasične izračune." Unutar nekoliko tjedana pokazalo je nekoliko studija 6, 7 da bi se klasični pristupi mogli nastaviti natjecati.

Boixo i njegovi kolege željeli su razumjeti kako buka čini kvantna računala ranjivima na klasične krivotvorine. Otkrili su da čak i male razlike u stopi pogreške qubita - od 99,4% bez pogreške do 99,7% - uzrokuju da se Sycamore ponaša kao da je u novom stanju, slično kao što se materija mijenja iz krutog u tekuće.

"Ono što [buka] čini jest pretvara sustav u nešto klasično", kaže Boixo. Nakon što je ažurirana verzija Sycamorea sa 67 qubita premašila određeni prag šuma, njegov RCS izlaz postalo je klasično nemoguće simulirati.

Tijekom protekle dvije godine, pokušaji da se nadmaše klasična superračunala također su bili usmjereni na smanjenje buke kubita. Foss-Feig i njegovi kolege pokrenuli su RCS na 56-qubitnom kvantnom računalu s niskom stopom pogreške 8 kroz. S boljim qubitima, kaže on, "klasična računala se više ne mogu natjecati s kvantnim računalima, barem za RCS."

Istraživači se jednog dana nadaju da će kvantna računala biti dovoljno velika i bez grešaka da prevaziđu sukob između kvantnih i klasičnih računala. Za sada su zadovoljni borbom. "Ako ne možete dobiti prednost u RCS-u, najjednostavnijoj aplikaciji", kaže Boixo, "mislim da ne možete pobijediti ni u jednoj drugoj aplikaciji."

1. Morvan, A. i sur. Nature 634, 328-333 (2024).

   Članak Google znalac

2. Arute, F. i sur. Nature 574, 505-510 (2019).

   Članak PubMed Google znalac

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

4. Zhao, X.-H. et al. Pretisak na arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. i sur. Nature 618, 500-505 (2023).

   Članak PubMed Google znalac

6. Tindall, J. i sur. Pretisak na 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. i sur. Pretisak na arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Preuzmite reference