Google atskleidžia, kaip kvantiniai kompiuteriai gali pranokti šiuolaikinius superkompiuterius

Google atskleidžia, kaip kvantiniai kompiuteriai gali pranokti šiuolaikinius superkompiuterius

Devintojo dešimtmečio pradžioje, kai buvo sukurti pirmieji kvantiniai kompiuteriai, mokslininkai tikėjosi dienos, kai šie įrenginiai Gali išspręsti problemas, kurios yra per sunkios klasikiniams kompiuteriams. Per pastaruosius penkerius metus šios mašinos iš tikrųjų pradėjo mesti iššūkį savo klasikiniams kolegoms – nors galutinė pergalė prieš juos iki šiol buvo sunkiai pasiekiama.

Dabartiniame kovos dėl vadinamojo „kvantinio pranašumo“ etape „Google“ mokslininkai teigia nustatę sąlygas, kuriomis Kvantiniai kompiuteriai gali pranokti savo klasikinius kolegas. Norėdami suprasti šias sąlygas, jie panaudojo kvantinį procesorių, vadinamą Sycamore, kad paleistų atsitiktinį grandinės atranką (RCS), paprastą kvantinį algoritmą, kuris iš esmės sukuria atsitiktinę reikšmių seką.

Komanda išanalizavo Sycamore išvestį ir nustatė, kad ją gali „apgauti“ arba įveikti klasikiniai superkompiuteriai didelio triukšmo režimu, kai veikia RCS. Tačiau kai trikdžiai sumažėjo iki tam tikros ribos, Sycamore skaičiavimas tapo toks sudėtingas, kad apgaulė buvo praktiškai neįmanoma – buvo apskaičiuota, kad greičiausiam klasikiniam superkompiuteriui pasaulyje prireiks dešimt trilijonų metų. Šis suvokimas buvo iš pradžių išankstiniame spaudinyje praėjusiais metais ir šiandien „Nature“ pranešė „arXiv“ serveryje 1 paskelbta.

„Quantum“ ekspertai pabrėžia, kad tai yra įtikinami įrodymai, kad „Sycamore“ gali pranokti bet kurį klasikinį kompiuterį, kuriame veikia RCS. 2019 m. „Google“ pranešė, kad jos kvantinis kompiuteris gali paleisti RCS ir pasiekti kvantinį pranašumą. Tačiau nuo to laiko klasikiniai kompiuteriai įvykdė algoritmą greičiau, nei buvo numatyta, o tai paneigė tariamą pranašumą. Michaelas Fossas-Feigas, programinės įrangos kompanijos Quantinuum Broomfield mieste, Kolorado valstijoje, kvantinių skaičiavimų tyrėjas, aiškina: „Google atliko puikų darbą išaiškindama ir ištaisydama daugelį žinomų su RCS susijusių problemų“. Nauji rezultatai rodo, kiek triukšmo gali turėti kvantiniai kompiuteriai ir vis tiek pranokti klasikinius kompiuterius.

Pasak Šanchajaus mokslo ir technologijų universiteto kvantinio fiziko Chao-Yang Lu, vykstanti konkurencija tarp klasikinių ir kvantinių kompiuterių yra pagrindinis veiksnys šioje srityje. Šis konkursas paskatino mokslininkus kurti didesnius ir kokybiškesnius kvantinius kompiuterius.

Tačiau naujausias „Google“ rezultatas nereiškia, kad kvantiniai kompiuteriai pakeis klasikinius kompiuterius. Pavyzdžiui, Sycamore negali atlikti įprastų įprasto kompiuterio operacijų, tokių kaip nuotraukų išsaugojimas ar el. laiškų siuntimas. „Google“ kvantinio skaičiavimo projekto Santa Barbaroje (Kalifornija) vadovas Sergio Boixo aiškina: „Kvantiniai kompiuteriai nėra greitesni – jie kitokie“. Galiausiai jie skirti atlikti klasikiniu požiūriu neįmanomus ir naudingus uždavinius, pavyzdžiui, tiksliai imituoti chemines reakcijas.

„Sycamore“ procesorius atrodo panašus į silicio lustus, kurie maitina kasdienius nešiojamuosius kompiuterius, tačiau yra specialiai sukurtas valdyti per jį tekančius elektronus kvantiniu tikslumu. Siekiant sumažinti temperatūros svyravimus, kurie sunaikintų subtilias elektronų būsenas ir sukeltų triukšmą, lustas laikomas itin šaltoje temperatūroje, artimoje absoliučiam nuliui.

Vietoj klasikinių bitų (kurie visada yra 0 arba 1), kvantinė mikroschema naudoja kubitus, kurie išnaudoja elektronų gebėjimą būti būsenų mišinyje. Kvantinis kompiuteris gali atlikti kai kurias užduotis naudodamas eksponentiškai mažiau kubitų nei bitų, kurių reikėtų klasikiniam kompiuteriui. Pavyzdžiui, klasikiniam kompiuteriui reikia 1024 bitų, kad veiktų RCS algoritmas, o kvantiniam kompiuteriui reikia tik 10 kubitų.

Prieš penkerius metus „Google“ tyrėjų komanda paskelbė „Nature“. 2, kad klasikiniam superkompiuteriui prireiktų 10 000 metų, kad jų 53 kubitų kompiuteryje atkurtų 200 sekundžių trukmės RCS. Beveik iš karto pretenzija sulaukė kritikos; Technologijų milžinės IBM mokslininkai internete paskelbė išankstinį spaudinį 3, kuris rodo, kad superkompiuteris iš tikrųjų gali atlikti užduotį per kelias dienas. Birželio mėnesį Lu ir jo kolegos panaudojo galingus klasikinius kompiuterius, kad suklastotų rezultatą per kiek daugiau nei minutę 4.

„Google“ 2019 m. rezultatas nėra vienintelis, kurį paveikė klasikinės klastotės. 2023 m. birželio mėn. IBM mokslininkai ir kiti pateikė įrodymų 5 kad jų 127 kubitų kompiuteris galėtų išspręsti potencialiai naudingas matematines problemas, kurie „peržengia žiaurius klasikinius skaičiavimus“. Per kelias savaites keletas tyrimų parodė 6, 7 kad klasikiniai metodai galėtų ir toliau konkuruoti.

Boixo ir jo kolegos norėjo suprasti, kaip dėl triukšmo kvantiniai kompiuteriai tampa pažeidžiami klasikinių klastočių. Jie nustatė, kad net ir nedideli kubito klaidų lygio skirtumai – nuo ​​99,4 % be klaidų iki 99,7 % – sukelia Sycamore elgesį taip, lyg būtų naujos būsenos, panašiai kaip medžiaga keičiasi iš kietos į skystą.

„Triukšmas paverčia sistemą kažkuo klasikiniu“, – sako Boixo. Kai atnaujinta Sycamore versija su 67 kubitais viršijo tam tikrą triukšmo slenkstį, jos RCS išvesties tapo klasikiniu būdu neįmanoma imituoti.

Per pastaruosius dvejus metus bandymai pranokti klasikinius superkompiuterius taip pat buvo skirti kubito triukšmo mažinimui. Fossas-Feigas ir jo kolegos vykdė RCS 56 kubitų kvantiniame kompiuteryje su mažu klaidų lygiu 8 per. Jis sako, kad naudojant geresnius kubitus „klasikiniai kompiuteriai nebegali konkuruoti su kvantiniais kompiuteriais, bent jau RCS“.

Vieną dieną mokslininkai tikisi, kad kvantiniai kompiuteriai bus pakankamai dideli ir pakankamai be klaidų, kad galėtų įveikti kvantinių ir klasikinių kompiuterių konfliktą. Kol kas jie patenkinti kova. „Jei negalite įgyti pranašumo naudojant RCS, tai paprasčiausia programa, – sako Boixo, – nemanau, kad galite laimėti bet kurioje kitoje programoje.

1. Morvan, A. ir kt. Nature 634, 328–333 (2024).

   Straipsnis Google Scholar

2. Arutė, F. ir kt. Nature 574, 505–510 (2019).

   Straipsnis 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. ir kt. Išankstinis spausdinimas svetainėje arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. ir kt. Nature 618, 500–505 (2023).

   Straipsnis PubMed Google Scholar

6. Tindall, J. ir kt. Išankstinis spausdinimas svetainėje 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. ir kt. Išankstinis spausdinimas svetainėje arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Atsisiųskite nuorodas