A Google felfedi, hogy a kvantumszámítógépek hogyan képesek felülmúlni a modern szuperszámítógépeket

A Google felfedi, hogy a kvantumszámítógépek hogyan képesek felülmúlni a modern szuperszámítógépeket

Amióta az 1980-as évek elején megszülettek az első kvantumszámítógépek, a kutatók abban a napban reménykednek, amikor ezek az eszközök Meg tudja oldani a klasszikus számítógépek számára túl nehéz problémákat. Az elmúlt öt évben ezek a gépek kezdték megkérdőjelezni klasszikus társaikat – bár a felettük való végleges győzelem eddig megfoghatatlan volt.

Az úgynevezett „kvantumelőnyökért” folytatott küzdelem jelenlegi szakaszában a Google kutatói azt mondják, hogy meghatározták azokat a feltételeket, amelyek mellett Kvantumszámítógépek felülmúlhatják klasszikus kollégáikat. E feltételek megértéséhez a Sycamore nevű kvantumprocesszort használták a véletlenszerű áramköri mintavételezés (RCS) futtatására, egy egyszerű kvantum algoritmusra, amely lényegében véletlenszerű értéksorozatot állít elő.

A csapat elemezte a Sycamore teljesítményét, és megállapította, hogy a klasszikus szuperszámítógépek „becsaphatják” vagy legyőzhetik nagy zajú üzemmódban, miközben RCS-t futtatnak. Amikor azonban a zavarok egy bizonyos küszöbértékre csökkentek, Sycamore számítása olyan bonyolulttá vált, hogy a hamisítás gyakorlatilag lehetetlen volt – a becslések szerint a világ leggyorsabb klasszikus szuperszámítógépének tíz billió évbe telne. Ez a felismerés volt kezdetben előnyomatban számolt be az arXiv szerveren tavaly és ma a Nature-ben 1 közzétett.

A Quantum szakértői hangsúlyozzák, hogy ez meggyőző bizonyíték arra, hogy a Sycamore képes felülmúlni bármely klasszikus, RCS-t futtató számítógépet. 2019-ben a Google arról számolt be, hogy kvantumszámítógépe képes RCS-t futtatni, és kvantumelőnyt érhet el. Azóta azonban a klasszikus számítógépek a becsültnél gyorsabban hajtják végre az algoritmust, ami tagadja a feltételezett előnyt. Michael Foss-Feig, a Quantinuum szoftvercég kvantumszámítógép-kutatója a Broomfieldben, Colorado államban, így magyarázza: "A Google kiváló munkát végzett az RCS-sel kapcsolatos számos ismert probléma tisztázásában és kijavításában." Az új eredmények azt mutatják, hogy a kvantumszámítógépek mekkora zajjal bírhatnak, és még mindig felülmúlják a klasszikus számítógépeket.

Chao-Yang Lu, a Sanghaji Tudományos és Technológiai Egyetem kvantumfizikusa szerint a klasszikus és a kvantumszámítógépek közötti folyamatos verseny hajtóerő ezen a területen. Ez a verseny arra ösztönözte a kutatókat, hogy nagyobb és jobb minőségű kvantumszámítógépeket építsenek.

A Google legfrissebb eredménye azonban nem jelenti azt, hogy a kvantumszámítógépek felváltják a klasszikus számítógépeket. Például a Sycamore nem tudja végrehajtani a szokásos számítógépekre jellemző műveleteket, például fényképeket menteni vagy e-maileket küldeni. Sergio Boixo, a Google kvantumszámítási projektjének vezetője a kaliforniai Santa Barbarában kifejti: "A kvantumszámítógépek nem gyorsabbak, hanem mások." Végső soron klasszikusan lehetetlen – és hasznos – feladatok elvégzésére szolgálnak, például kémiai reakciók pontos szimulálására.

A Sycamore processzor kinézetre hasonlít a mindennapi laptopokat tápláló szilícium chipekhez, de kifejezetten a rajta átáramló elektronok kvantumpontosságának szabályozására készült. Az elektronok kényes állapotát tönkretevő és zajt okozó hőmérséklet-ingadozások csökkentése érdekében a chipet ultrahideg, abszolút nulla közelében lévő hőmérsékleten tartják.

A klasszikus bitek (amelyek mindig 0 vagy 1) helyett a kvantumchip qubiteket használ, amelyek kihasználják az elektronok azon képességét, hogy vegyes állapotúak legyenek. A kvantumszámítógép bizonyos feladatokat exponenciálisan kevesebb qubit felhasználásával képes végrehajtani, mint amennyire egy klasszikus számítógépnek szüksége lenne. Például egy klasszikus számítógépnek 1024 bitre van szüksége az RCS algoritmus futtatásához, míg egy kvantumszámítógépnek csak 10 qubitre van szüksége.

Öt évvel ezelőtt egy Google-kutatócsoport számolt be a Nature-ben 2, hogy egy klasszikus szuperszámítógépnek 10 000 évbe telik egy 200 másodperces RCS futtatása az 53 qubit-es számítógépükön. A követelés szinte azonnal kritika alá került; Az IBM technológiai óriáscég kutatói egy előnyomatot tettek közzé az interneten 3, ami azt sugallta, hogy egy szuperszámítógép valóban néhány nap alatt elvégezheti a feladatot. Júniusban Lu és kollégái nagy teljesítményű klasszikus számítógépekkel alig több mint egy perc alatt meghamisították az eredményt 4.

A Google 2019-es eredménye nem az egyetlen, amelyet a klasszikus hamisítványok érintettek. 2023 júniusában az IBM kutatói és mások bizonyítékokról számoltak be 5 hogy 127 qubites számítógépük potenciálisan hasznos matematikai problémákat oldhat meg, amelyek „túlmutatnak a brutális klasszikus számításokon”. Néhány héten belül számos tanulmány kimutatta 6, 7 hogy a klasszikus megközelítések továbbra is versenyezhetnek.

Boixo és kollégái azt akarták megérteni, hogy a zaj hogyan teszi sebezhetővé a kvantumszámítógépeket a klasszikus hamisításokkal szemben. Azt találták, hogy a qubit-hibaarány apró eltérései is – 99,4%-ról 99,7%-ra – azt okozzák, hogy a Sycamore úgy viselkedik, mintha új állapotban lenne, hasonlóan ahhoz, ahogyan az anyag szilárdból folyékonyra változik.

„A zaj az, hogy valami klasszikussá változtatja a rendszert” – mondja Boixo. Miután a Sycamore frissített, 67 qubites verziója túllépett egy bizonyos zajküszöböt, az RCS-kimenetét klasszikusan lehetetlen volt szimulálni.

Az elmúlt két évben a klasszikus szuperszámítógépek felülmúlására tett kísérletek a qubit zaj csökkentésére is összpontosítottak. Foss-Feig és munkatársai RCS-t futtattak egy 56 qubit-es kvantumszámítógépen, alacsony hibaaránnyal 8 keresztül. A jobb qubitekkel, mondja, „a klasszikus számítógépek többé nem versenyezhetnek a kvantumszámítógépekkel, legalábbis az RCS-ben”.

A kutatók egy napon azt remélik, hogy a kvantumszámítógépek elég nagyok és hibamentesek lesznek ahhoz, hogy túllépjenek a kvantum és a klasszikus számítógépek közötti konfliktuson. Egyelőre megelégszenek a harccal. „Ha nem tud előnyt szerezni az RCS-ben, akkor a legegyszerűbb alkalmazás” – mondja Boixo –, „nem hiszem, hogy más alkalmazásban nyerhet.”

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

   Cikk Google Tudós

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

   Cikk PubMed Google Tudós

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. Előnyomtatás az arXiv-en https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

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

   Cikk PubMed Google Tudós

6. Tindall, J. et al. Előnyomtatás az arXiv-en 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. Előnyomtatás az arXiv-en https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Referenciák letöltése