Google afslører, hvordan kvantecomputere kan udkonkurrere moderne supercomputere

Google afslører, hvordan kvantecomputere kan udkonkurrere moderne supercomputere

Siden de første kvantecomputere blev udtænkt i begyndelsen af ​​1980'erne, har forskere håbet på den dag, hvor disse enheder Kan løse problemer, der er for svære for klassiske computere. I løbet af de sidste fem år er disse maskiner faktisk begyndt at udfordre deres klassiske modstykker – selvom den endelige sejr over dem hidtil har været uhåndgribelig.

I en aktuel fase af kampen om den såkaldte 'kvantefordel' siger Google-forskere, at de har fastlagt betingelserne for Kvantecomputere kan overgå deres klassiske kolleger. For at forstå disse forhold brugte de en kvanteprocessor kaldet Sycamore til at køre random circuit sampling (RCS), en simpel kvantealgoritme, der i det væsentlige producerer en tilfældig sekvens af værdier.

Holdet analyserede Sycamores output og fandt ud af, at det kunne blive "narret" eller slået af klassiske supercomputere i en højstøjstilstand, mens de kører RCS. Men da forstyrrelserne blev reduceret til en vis tærskel, blev Sycamores beregning så kompleks, at det faktisk var umuligt at udføre en spoof – det blev anslået, at det ville tage verdens hurtigste klassiske supercomputer ti billioner år. Denne erkendelse var i første omgang i et fortryk rapporterede på arXiv-serveren sidste år og i dag i Nature 1 offentliggjort.

Kvanteeksperter understreger, at dette repræsenterer overbevisende beviser på, at Sycamore er i stand til at overgå enhver klassisk computer, der kører RCS. I 2019 rapporterede Google, at dens kvantecomputer kunne køre RCS og opnå kvantefordele. Siden da har klassiske computere imidlertid eksekveret algoritmen hurtigere end anslået, hvilket negererer den formodede fordel. Michael Foss-Feig, en kvantecomputerforsker hos softwarevirksomheden Quantinuum i Broomfield, Colorado, forklarer: "Google har gjort et fremragende stykke arbejde med at afklare og rette mange kendte problemer med RCS." De nye resultater viser, hvor meget støj kvantecomputere kan have og stadig slår klassiske computere.

Den igangværende konkurrence mellem klassiske og kvantecomputere er en drivende faktor på dette område, ifølge Chao-Yang Lu, en kvantefysiker ved Shanghai University of Science and Technology. Denne konkurrence har motiveret forskere til at bygge større og højere kvalitet kvantecomputere.

Googles seneste resultat betyder dog ikke, at kvantecomputere vil erstatte klassiske computere. For eksempel kan Sycamore ikke udføre typiske operationer på en almindelig computer, såsom at gemme billeder eller sende e-mails. Sergio Boixo, leder af Googles kvanteberegningsprojekt i Santa Barbara, Californien, forklarer: "Kvantecomputere er ikke hurtigere - de er anderledes." De er i sidste ende beregnet til at udføre klassisk umulige - og nyttige - opgaver, såsom nøjagtig simulering af kemiske reaktioner.

Sycamore-processoren ligner de siliciumchips, der driver hverdagens bærbare computere, men er specielt udformet til at kontrollere elektronerne, der strømmer gennem den, med kvantepræcision. For at reducere temperaturudsving, der ville ødelægge elektronernes sarte tilstande og introducere støj, holdes chippen ved ultrakolde temperaturer nær det absolutte nulpunkt.

I stedet for klassiske bits (som altid er enten 0 eller 1), bruger kvantechippen qubits, som udnytter elektronernes evne til at være i en blanding af tilstande. En kvantecomputer kan udføre nogle opgaver ved at bruge eksponentielt færre qubits end de bits, en klassisk computer ville have brug for. For eksempel kræver en klassisk computer 1.024 bit for at køre RCS-algoritmen, mens en kvantecomputer kun kræver 10 qubits.

For fem år siden rapporterede et team af Google-forskere i Nature 2, at det ville tage en klassisk supercomputer 10.000 år at genskabe en 200-sekunders RCS-kørsel på deres 53-qubit computer. Næsten straks kom kravet under beskydning; Forskere hos teknologigiganten IBM offentliggjorde et fortryk online 3, hvilket antydede, at en supercomputer faktisk kunne klare opgaven på få dage. I juni brugte Lu og hans kolleger kraftige klassiske computere til at forfalske resultatet på lidt over et minut 4.

Googles 2019-resultat er ikke det eneste, der er påvirket af klassiske forfalskninger. I juni 2023 rapporterede IBM-forskere og andre beviser 5 at deres 127 qubit computer kunne løse potentielt nyttige matematiske problemer, som "går ud over brutale klassiske beregninger." Inden for få uger viste flere undersøgelser 6, 7 at klassiske tilgange kunne fortsætte med at konkurrere.

Boixo og hans kolleger ønskede at forstå, hvordan støj gør kvantecomputere sårbare over for klassiske forfalskninger. De fandt ud af, at selv små forskelle i qubit-fejlraten - fra 99,4 % fejlfri til 99,7 % - får Sycamore til at opføre sig, som om den var i en ny tilstand, svarende til hvordan stof ændres fra fast til flydende.

"Det [støjen] gør, er, at det gør systemet til noget klassisk," siger Boixo. Når en opdateret version af Sycamore med 67 qubits overskred en vis støjtærskel, blev dens RCS-output klassisk umulig at simulere.

I løbet af de sidste to år har forsøg på at overgå klassiske supercomputere også fokuseret på at reducere qubit-støj. Foss-Feig og hans kolleger kørte RCS på en 56-qubit kvantecomputer med en lav fejlrate 8 ved. Med bedre qubits, siger han, "kan klassiske computere ikke længere konkurrere med kvantecomputere, i det mindste for RCS."

En dag håber forskerne, at kvantecomputere vil være store nok og fejlfrie nok til at bevæge sig ud over konflikten mellem kvantecomputere og klassiske computere. For nu nøjes de med at kæmpe. "Hvis du ikke kan opnå en fordel i RCS, den enkleste af applikationerne," siger Boixo, "jeg tror ikke, du kan vinde i nogen anden applikation."

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

   Artikel Google Scholar

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

   Artikel 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. Fortryk hos arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

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

   Artikel PubMed Google Scholar

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

Download referencer