Google dezvăluie modul în care computerele cuantice pot depăși supercalculatoarele moderne

Google dezvăluie modul în care computerele cuantice pot depăși supercalculatoarele moderne

De când primele computere cuantice au fost concepute la începutul anilor 1980, cercetătorii au sperat în ziua în care aceste dispozitive Poate rezolva probleme prea dificile pentru computerele clasice. În ultimii cinci ani, aceste mașini au început de fapt să-și provoace omologii clasici - deși victoria definitivă asupra lor a fost până acum evazivă.

Într-o fază actuală a bătăliei pentru așa-numitul „avantaj cuantic”, cercetătorii Google spun că au determinat condițiile în care Calculatoare cuantice își pot depăși colegii clasici. Pentru a înțelege aceste condiții, au folosit un procesor cuantic numit Sycamore pentru a rula eșantionarea aleatorie a circuitelor (RCS), un algoritm cuantic simplu care produce în esență o secvență aleatorie de valori.

Echipa a analizat rezultatul lui Sycamore și a descoperit că acesta ar putea fi „păcălit” sau înfrânt de supercomputerele clasice într-un mod cu zgomot ridicat în timp ce rulează RCS. Cu toate acestea, când perturbările s-au redus la un anumit prag, calculul lui Sycamore a devenit atât de complex încât efectuarea unei falsificări a fost efectiv imposibilă - s-a estimat că va dura cel mai rapid supercomputer clasic din lume zece trilioane de ani. Această realizare a fost iniţial într-o pretipărire a raportat pe serverul arXiv anul trecut și astăzi în Nature 1 publicat.

Experții cuantici subliniază că aceasta reprezintă o dovadă convingătoare că Sycamore este capabil să depășească orice computer clasic care rulează RCS. În 2019, Google a raportat că computerul său cuantic ar putea rula RCS și ar putea obține un avantaj cuantic. De atunci, însă, computerele clasice au executat algoritmul mai rapid decât estimat, anulând presupusul avantaj. Michael Foss-Feig, cercetător în calcul cuantic la compania de software Quantinuum din Broomfield, Colorado, explică: „Google a făcut o treabă excelentă clarificând și remediand multe probleme cunoscute cu RCS”. Noile rezultate arată cât de mult zgomot pot avea computerele cuantice și încă bat computerele clasice.

Concurența continuă dintre computerele clasice și cele cuantice este un factor determinant în acest domeniu, potrivit lui Chao-Yang Lu, fizician cuantic la Universitatea de Știință și Tehnologie din Shanghai. Această competiție a motivat cercetătorii să construiască calculatoare cuantice mai mari și de calitate superioară.

Cu toate acestea, cel mai recent rezultat al Google nu înseamnă că computerele cuantice vor înlocui computerele clasice. De exemplu, Sycamore nu poate efectua operațiuni tipice ale unui computer obișnuit, cum ar fi salvarea fotografiilor sau trimiterea de e-mailuri. Sergio Boixo, șeful proiectului de calcul cuantic al Google din Santa Barbara, California, explică: „Computerele cuantice nu sunt mai rapide, ci sunt diferite”. În cele din urmă, acestea sunt destinate să îndeplinească sarcini clasice imposibile - și utile -, cum ar fi simularea cu acuratețe a reacțiilor chimice.

Procesorul Sycamore arată similar cu cipurile de siliciu care alimentează laptopurile de zi cu zi, dar este special conceput pentru a controla electronii care circulă prin el cu precizie cuantică. Pentru a reduce fluctuațiile de temperatură care ar distruge stările delicate ale electronilor și ar introduce zgomot, cipul este menținut la temperaturi ultra-reci aproape de zero absolut.

În loc de biți clasici (care sunt întotdeauna fie 0, fie 1), cipul cuantic folosește qubiți, care exploatează capacitatea electronilor de a fi într-un amestec de stări. Un computer cuantic poate îndeplini anumite sarcini folosind exponențial mai puțini qubiți decât biții de care ar avea nevoie un computer clasic. De exemplu, un computer clasic necesită 1.024 de biți pentru a rula algoritmul RCS, în timp ce un computer cuantic necesită doar 10 qubiți.

Acum cinci ani, o echipă de cercetători Google a raportat în Nature 2, că ar fi nevoie de un supercomputer clasic 10.000 de ani pentru a recrea o rulare RCS de 200 de secunde pe computerul său de 53 de qubiți. Aproape imediat revendicarea a intrat în foc; Cercetătorii de la gigantul tehnologic IBM au publicat un preprint online 3, ceea ce a sugerat că un supercomputer ar putea de fapt finaliza sarcina în câteva zile. În iunie, Lu și colegii săi au folosit computere clasice puternice pentru a falsifica rezultatul în puțin peste un minut 4.

Rezultatul Google 2019 nu este singurul afectat de falsurile clasice. În iunie 2023, cercetătorii IBM și alții au raportat dovezi 5 că computerul lor de 127 de qubiți ar putea rezolva probleme matematice potențial utile, care „depășesc calculele clasice brutale”. În câteva săptămâni, mai multe studii au arătat 6, 7 că abordările clasice ar putea continua să concureze.

Boixo și colegii săi au vrut să înțeleagă cum zgomotul face computerele cuantice vulnerabile la falsurile clasice. Ei au descoperit că chiar și micile diferențe în rata de eroare de qubit - de la 99,4% fără erori la 99,7% - fac ca Sycamore să se comporte ca și cum ar fi într-o stare nouă, similar cu modul în care materia se schimbă de la solid la lichid.

„Ceea ce face [zgomotul] este că transformă sistemul în ceva clasic”, spune Boixo. Odată ce o versiune actualizată de Sycamore cu 67 de qubiți a depășit un anumit prag de zgomot, ieșirea sa RCS a devenit clasic imposibil de simulat.

În ultimii doi ani, încercările de a depăși supercalculatoarele clasice s-au concentrat și pe reducerea zgomotului qubit. Foss-Feig și colegii săi au rulat RCS pe un computer cuantic de 56 de qubiți cu o rată de eroare scăzută 8 prin. Cu qubiți mai buni, spune el, „calculatoarele clasice nu mai pot concura cu calculatoarele cuantice, cel puțin pentru RCS”.

Într-o zi, cercetătorii speră că calculatoarele cuantice vor fi suficient de mari și suficient de lipsite de erori pentru a trece dincolo de conflictul dintre computerele cuantice și clasice. Deocamdată, se mulțumesc să lupte. „Dacă nu poți câștiga un avantaj în RCS, cea mai simplă dintre aplicații”, spune Boixo, „nu cred că poți câștiga în nicio altă aplicație.”

1. Morvan, A. şi colab. Nature 634, 328–333 (2024).

   Articol Google Academic

2. Arute, F. şi colab. Nature 574, 505–510 (2019).

   Articol PubMed Google Academic

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. Preprint la arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. şi colab. Natura 618, 500–505 (2023).

   Articol PubMed Google Academic

6. Tindall, J. şi colab. Preprint la 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. şi colab. Preprint la arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Descărcați referințe