Google atklāj, kā kvantu datori var pārspēt mūsdienu superdatorus

Google atklāj, kā kvantu datori var pārspēt mūsdienu superdatorus

Kopš 1980. gadu sākumā tika radīti pirmie kvantu datori, pētnieki ir cerējuši uz dienu, kad šīs ierīces Var atrisināt problēmas, kas ir pārāk sarežģītas klasiskajiem datoriem. Pēdējo piecu gadu laikā šīs mašīnas faktiski ir sākušas izaicināt savus klasiskos kolēģus, lai gan galīgā uzvara pār tiem līdz šim ir bijusi nenotverama.

Pašreizējā fāzē cīņā par tā saukto "kvantu priekšrocību" Google pētnieki apgalvo, ka ir noteikuši nosacījumus, kādos Kvantu datori var pārspēt savus klasiskos kolēģus. Lai izprastu šos nosacījumus, viņi izmantoja kvantu procesoru, ko sauc par Sycamore, lai palaistu nejaušu ķēdes paraugu ņemšanu (RCS), vienkāršu kvantu algoritmu, kas būtībā rada nejaušu vērtību secību.

Komanda analizēja Sycamore izvadi un atklāja, ka klasiskie superdatori to var "apmānīt" vai pārspēt augsta trokšņa režīmā, kamēr darbojas RCS. Tomēr, kad traucējumi samazinājās līdz noteiktam slieksnim, Sycamore aprēķins kļuva tik sarežģīts, ka mānīšanās bija faktiski neiespējama - tika lēsts, ka pasaulē ātrākajam klasiskajam superdatoram tas prasīs desmit triljonus gadu. Šī atziņa bija sākotnēji preprintā ziņoja arXiv serverī pagājušajā gadā un šodien Nature 1 publicēts.

Kvantu eksperti uzsver, ka tas ir pārliecinošs pierādījums tam, ka Sycamore spēj pārspēt jebkuru klasisko datoru, kurā darbojas RCS. 2019. gadā Google ziņoja, ka tā kvantu dators varētu darbināt RCS un sasniegt kvantu priekšrocības. Tomēr kopš tā laika klasiskie datori ir izpildījuši algoritmu ātrāk, nekā paredzēts, noliedzot šķietamo priekšrocību. Michael Foss-Feig, kvantu skaitļošanas pētnieks programmatūras uzņēmumā Quantinuum Broomfield, Kolorādo, skaidro: "Google ir paveicis lielisku darbu, noskaidrojot un novēršot daudzas zināmas problēmas ar RCS." Jaunie rezultāti parāda, cik daudz trokšņa var būt kvantu datoriem un joprojām pārspēj klasiskos datorus.

Saskaņā ar Šanhajas Zinātnes un tehnoloģijas universitātes kvantu fiziķa Čao-Jang Lu teikto, notiekošā konkurence starp klasiskajiem un kvantu datoriem ir virzošais faktors šajā jomā. Šis konkurss ir motivējis pētniekus veidot lielākus un kvalitatīvākus kvantu datorus.

Tomēr Google jaunākais rezultāts nenozīmē, ka kvantu datori aizstās klasiskos datorus. Piemēram, Sycamore nevar veikt parastā datora tipiskas darbības, piemēram, fotoattēlu saglabāšanu vai e-pasta ziņojumu sūtīšanu. Serhio Boixo, Google kvantu skaitļošanas projekta vadītājs Santabarbarā, Kalifornijā, skaidro: "Kvantu datori nav ātrāki — tie ir atšķirīgi." Galu galā tie ir paredzēti, lai veiktu klasiski neiespējamus un noderīgus uzdevumus, piemēram, precīzi simulētu ķīmiskās reakcijas.

Sycamore procesors izskatās līdzīgs silīcija mikroshēmām, kas darbina ikdienas klēpjdatorus, taču ir īpaši izstrādāts, lai kontrolētu caur to plūstošos elektronus ar kvantu precizitāti. Lai samazinātu temperatūras svārstības, kas iznīcinātu trauslos elektronu stāvokļus un radītu troksni, mikroshēma tiek turēta īpaši aukstā temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei.

Klasisko bitu vietā (kas vienmēr ir 0 vai 1), kvantu mikroshēmā tiek izmantoti kubiti, kas izmanto elektronu spēju atrasties stāvokļu maisījumā. Kvantu dators var veikt dažus uzdevumus, izmantojot eksponenciāli mazāk kubitu nekā klasiskajam datoram nepieciešamie biti. Piemēram, klasiskajam datoram ir nepieciešami 1024 biti, lai palaistu RCS algoritmu, savukārt kvantu datoram ir nepieciešami tikai 10 kubiti.

Pirms pieciem gadiem Google pētnieku komanda ziņoja Nature 2, ka klasiskajam superdatoram būtu nepieciešami 10 000 gadu, lai atjaunotu 200 sekunžu RCS darbību savā 53 kubitu datorā. Gandrīz uzreiz prasība nonāca kritikā; Tehnoloģiju giganta IBM pētnieki tiešsaistē publicēja iepriekšēju izdruku 3, kas liecināja, ka superdators patiešām varētu paveikt uzdevumu dažu dienu laikā. Jūnijā Lu un viņa kolēģi izmantoja jaudīgus klasiskos datorus, lai viltotu rezultātu nedaudz vairāk nekā minūtes laikā 4.

Google 2019. gada rezultāts nav vienīgais, ko ietekmējuši klasiskie viltojumi. 2023. gada jūnijā IBM pētnieki un citi ziņoja par pierādījumiem 5 ka viņu 127 kubitu dators varētu atrisināt potenciāli noderīgas matemātiskas problēmas, kas "pārsniedz brutālus klasiskos aprēķinus". Dažu nedēļu laikā tika atklāti vairāki pētījumi 6, 7 ka klasiskās pieejas varētu turpināt konkurēt.

Boixo un viņa kolēģi vēlējās saprast, kā troksnis padara kvantu datorus neaizsargātus pret klasiskajiem viltojumiem. Viņi atklāja, ka pat nelielas atšķirības kubitu kļūdu biežumā — no 99,4% bez kļūdām līdz 99,7% — izraisa Sycamore uzvedību tā, it kā tas būtu jaunā stāvoklī, līdzīgi tam, kā viela mainās no cietas uz šķidru.

"Tas [troksnis] padara sistēmu par kaut ko klasisku," saka Boixo. Kad Sycamore atjauninātā versija ar 67 kubitiem pārsniedza noteiktu trokšņa slieksni, tās RCS izvadi kļuva klasiski neiespējami simulēt.

Pēdējo divu gadu laikā mēģinājumi pārspēt klasiskos superdatorus ir vērsti arī uz kubitu trokšņa samazināšanu. Foss-Feigs un viņa kolēģi vadīja RCS 56 kubitu kvantu datorā ar zemu kļūdu līmeni 8 cauri. Viņš saka, ka ar labākiem kubitiem "klasiskie datori vairs nevar konkurēt ar kvantu datoriem, vismaz attiecībā uz RCS."

Kādu dienu pētnieki cer, ka kvantu datori būs pietiekami lieli un bez kļūdām, lai pārvarētu konfliktu starp kvantu un klasiskajiem datoriem. Pagaidām viņi ir apmierināti ar cīņu. "Ja nevarat iegūt priekšrocības RCS, vienkāršākā no lietojumprogrammām," saka Boixo, "es nedomāju, ka varat uzvarēt nevienā citā lietojumprogrammā."

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

   Raksts Google Scholar

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

   Raksts 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. Džao, X.-H. et al. Iepriekšēja drukāšana vietnē arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

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

   Raksts PubMed Google Scholar

6. Tindall, J. et al. Iepriekšēja drukāšana vietnē 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. Iepriekšēja drukāšana vietnē arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Lejupielādēt atsauces