Google odhaľuje, ako môžu kvantové počítače prekonať moderné superpočítače

Google odhaľuje, ako môžu kvantové počítače prekonať moderné superpočítače

Od vzniku prvých kvantových počítačov na začiatku 80. rokov 20. storočia výskumníci dúfali v deň, keď tieto zariadenia Dokáže vyriešiť problémy, ktoré sú pre klasické počítače príliš ťažké. Za posledných päť rokov tieto stroje skutočne začali vyzývať svojich klasických kolegov – hoci definitívne víťazstvo nad nimi bolo doteraz v nedohľadne.

V súčasnej fáze boja o takzvanú „kvantovú výhodu“ výskumníci spoločnosti Google tvrdia, že určili podmienky, za ktorých Kvantové počítače dokáže prekonať svojich klasických kolegov. Na pochopenie týchto podmienok použili kvantový procesor s názvom Sycamore na spustenie náhodného vzorkovania obvodu (RCS), jednoduchého kvantového algoritmu, ktorý v podstate vytvára náhodnú sekvenciu hodnôt.

Tím analyzoval výstup Sycamore a zistil, že ho môžu „oklamať“ alebo poraziť klasické superpočítače v režime s vysokou hlučnosťou pri spustení RCS. Keď sa však poruchy znížili na určitú hranicu, Sycamoreov výpočet sa stal tak zložitým, že vykonanie spoofu bolo prakticky nemožné – odhadovalo sa, že najrýchlejšiemu klasickému superpočítaču na svete by to trvalo desať biliónov rokov. Toto uvedomenie bolo spočiatku v predtlači informoval server arXiv minulý rok a dnes v Nature 1 zverejnené.

Kvantoví experti zdôrazňujú, že to predstavuje presvedčivý dôkaz, že Sycamore je schopný prekonať akýkoľvek klasický počítač so systémom RCS. V roku 2019 Google oznámil, že jeho kvantový počítač dokáže spustiť RCS a dosiahnuť kvantovú výhodu. Odvtedy však klasické počítače vykonávali algoritmus rýchlejšie, ako sa odhadovalo, čo negovalo predpokladanú výhodu. Michael Foss-Feig, výskumník v oblasti kvantových počítačov v softvérovej spoločnosti Quantinuum v Broomfielde v Colorade, vysvetľuje: „Google odviedol skvelú prácu pri objasňovaní a odstraňovaní mnohých známych problémov s RCS.“ Nové výsledky ukazujú, koľko hluku môžu mať kvantové počítače a stále porážajú klasické počítače.

Prebiehajúca konkurencia medzi klasickými a kvantovými počítačmi je v tejto oblasti hnacím faktorom, tvrdí Chao-Yang Lu, kvantový fyzik na Šanghajskej univerzite vedy a techniky. Táto súťaž motivovala výskumníkov k budovaniu väčších a kvalitnejších kvantových počítačov.

Najnovší výsledok Googlu však neznamená, že kvantové počítače nahradia klasické počítače. Sycamore napríklad nedokáže vykonávať typické operácie bežného počítača, ako je ukladanie fotografií alebo odosielanie e-mailov. Sergio Boixo, vedúci projektu kvantových výpočtov Google v Santa Barbare v Kalifornii, vysvetľuje: „Kvantové počítače nie sú rýchlejšie – sú iné.“ V konečnom dôsledku sú určené na vykonávanie klasicky nemožných – a užitočných – úloh, ako je presná simulácia chemických reakcií.

Procesor Sycamore vyzerá podobne ako kremíkové čipy, ktoré poháňajú každodenné notebooky, no je špeciálne navrhnutý tak, aby ovládal elektróny, ktoré ním prechádzajú, s kvantovou presnosťou. Aby sa znížili teplotné výkyvy, ktoré by zničili jemné stavy elektrónov a zaviedli šum, čip sa udržiava pri ultra nízkych teplotách blízko absolútnej nuly.

Namiesto klasických bitov (ktoré sú vždy buď 0 alebo 1) kvantový čip používa qubity, ktoré využívajú schopnosť elektrónov byť v zmesi stavov. Kvantový počítač môže vykonávať niektoré úlohy s použitím exponenciálne menšieho počtu qubitov, než koľko by potreboval klasický počítač. Napríklad klasický počítač vyžaduje 1 024 bitov na spustenie algoritmu RCS, zatiaľ čo kvantový počítač vyžaduje iba 10 qubitov.

Pred piatimi rokmi o tom v časopise Nature informoval tím výskumníkov Google 2, že klasickému superpočítaču by trvalo 10 000 rokov, kým by znovu vytvoril 200-sekundový beh RCS na ich 53-qubitovom počítači. Takmer okamžite sa tvrdenie dostalo pod paľbu; Výskumníci technologického gigantu IBM zverejnili predtlač online 3, čo naznačovalo, že superpočítač by mohol skutočne dokončiť úlohu za niekoľko dní. V júni Lu a jeho kolegovia použili výkonné klasické počítače na sfalšovanie výsledku za niečo vyše minúty 4.

Výsledok Googlu za rok 2019 nie je jediný, ktorý postihli klasické falzifikáty. V júni 2023 výskumníci IBM a ďalší oznámili dôkazy 5 že ich 127 qubitový počítač môže vyriešiť potenciálne užitočné matematické problémy, ktoré „presahujú brutálne klasické výpočty“. V priebehu niekoľkých týždňov ukázalo niekoľko štúdií 6, 7 že klasické prístupy by mohli naďalej konkurovať.

Boixo a jeho kolegovia chceli pochopiť, ako hluk robí kvantové počítače zraniteľnými voči klasickým falzifikátom. Zistili, že aj malé rozdiely v chybovosti qubitov – od 99,4 % bez chýb po 99,7 % – spôsobujú, že Sycamore sa správa, ako keby bol v novom stave, podobne ako sa hmota mení z pevnej látky na tekutú.

„Hluk robí zo systému niečo klasické,“ hovorí Boixo. Akonáhle aktualizovaná verzia Sycamore so 67 qubitmi prekročila určitý prah hluku, jeho RCS výstup sa stal klasicky nemožným simulovať.

V posledných dvoch rokoch sa pokusy prekonať klasické superpočítače zamerali aj na zníženie qubitového šumu. Foss-Feig a jeho kolegovia spustili RCS na 56-qubitovom kvantovom počítači s nízkou chybovosťou 8 cez. S lepšími qubitmi, hovorí, "klasické počítače už nemôžu konkurovať kvantovým počítačom, aspoň pre RCS."

Jedného dňa vedci dúfajú, že kvantové počítače budú dostatočne veľké a dostatočne bezchybné na to, aby prekonali konflikt medzi kvantovými a klasickými počítačmi. Zatiaľ sa uspokoja s bojom. "Ak nemôžete získať výhodu v RCS, najjednoduchšej z aplikácií," hovorí Boixo, "nemyslím si, že môžete vyhrať v žiadnej inej aplikácii."

1. Morvan, A. a kol. Príroda 634, 328–333 (2024).

   Článok Študovňa Google

2. Arute, F. a kol. Príroda 574, 505–510 (2019).

   Článok PubMed Študovňa Google

3. Pednault, E., Gunnels, J. A., Nannicini, G., Horesh, L. & Wisnieff, R. Preprint na arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.1910.09534 (2019).

4. Zhao, X.-H. a kol. Predtlač v arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. a kol. Príroda 618, 500–505 (2023).

   Článok PubMed Študovňa Google

6. Tindall, J. a kol. Predtlač v arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.14887 (2023).

7. Begušić, T. & Kin-Lic Chan, G. Predtlač na arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.16372 (2023).

8. DeCross, M. a kol. Predtlač v arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Stiahnite si referencie