Google avslöjar hur kvantdatorer kan överträffa moderna superdatorer

Google avslöjar hur kvantdatorer kan överträffa moderna superdatorer

Sedan de första kvantdatorerna skapades i början av 1980-talet har forskare hoppats på den dag då dessa enheter Kan lösa problem som är för svåra för klassiska datorer. Under de senaste fem åren har dessa maskiner faktiskt börjat utmana sina klassiska motsvarigheter – även om den definitiva segern över dem hittills har varit svårfångad.

I en aktuell fas av kampen om så kallade "kvantfördelar", säger Google-forskare att de har bestämt villkoren under vilka Kvantdatorer kan överträffa sina klassiska kollegor. För att förstå dessa förhållanden använde de en kvantprocessor som heter Sycamore för att köra slumpmässig kretssampling (RCS), en enkel kvantalgoritm som i huvudsak producerar en slumpmässig sekvens av värden.

Teamet analyserade Sycamores utdata och fann att det kunde "luras" eller slås av klassiska superdatorer i ett högbrusläge när de körde RCS. Men när störningarna minskade till ett visst tröskelvärde blev Sycamores beräkning så komplex att det i praktiken var omöjligt att utföra en spoof – man uppskattade att det skulle ta världens snabbaste klassiska superdator tio biljoner år. Denna insikt var initialt i ett förtryck rapporterade på arXiv-servern förra året och idag i Nature 1 publiceras.

Kvantexperter betonar att detta representerar övertygande bevis för att Sycamore kan överträffa alla klassiska datorer som kör RCS. 2019 rapporterade Google att dess kvantdator kunde köra RCS och uppnå kvantfördelar. Sedan dess har dock klassiska datorer exekverat algoritmen snabbare än beräknat, vilket förnekar den förmodade fördelen. Michael Foss-Feig, en kvantberäkningsforskare vid mjukvaruföretaget Quantinuum i Broomfield, Colorado, förklarar: "Google har gjort ett utmärkt jobb med att klargöra och fixa många kända problem med RCS." De nya resultaten visar hur mycket brus kvantdatorer kan ha och fortfarande slå klassiska datorer.

Den pågående konkurrensen mellan klassiska och kvantdatorer är en drivande faktor på detta område, enligt Chao-Yang Lu, en kvantfysiker vid Shanghai University of Science and Technology. Denna tävling har motiverat forskare att bygga större kvantdatorer av högre kvalitet.

Googles senaste resultat betyder dock inte att kvantdatorer kommer att ersätta klassiska datorer. Till exempel kan Sycamore inte utföra typiska operationer på en vanlig dator, som att spara foton eller skicka e-post. Sergio Boixo, chef för Googles kvantberäkningsprojekt i Santa Barbara, Kalifornien, förklarar: "Kvantdatorer är inte snabbare – de är annorlunda." De är i slutändan avsedda att utföra klassiskt omöjliga - och användbara - uppgifter, som att noggrant simulera kemiska reaktioner.

Sycamore-processorn liknar kiselchipsen som driver vardagliga bärbara datorer, men är speciellt framtagen för att kontrollera elektronerna som strömmar genom den med kvantprecision. För att minska temperaturfluktuationer som skulle förstöra elektronernas känsliga tillstånd och introducera brus, hålls chipet vid ultrakalla temperaturer nära absolut noll.

Istället för klassiska bitar (som alltid är antingen 0 eller 1) använder kvantchipset qubits, som utnyttjar elektronernas förmåga att vara i en blandning av tillstånd. En kvantdator kan utföra vissa uppgifter med exponentiellt färre qubits än de bitar en klassisk dator skulle behöva. Till exempel kräver en klassisk dator 1 024 bitar för att köra RCS-algoritmen, medan en kvantdator bara kräver 10 qubits.

För fem år sedan rapporterade ett team av Google-forskare i Nature 2, att det skulle ta en klassisk superdator 10 000 år att återskapa en 200-sekunders RCS-körning på sin 53-qubit-dator. Nästan omedelbart hamnade påståendet under eld; Forskare vid teknikjätten IBM publicerade ett förtryck online 3, vilket antydde att en superdator faktiskt kunde slutföra uppgiften på några dagar. I juni använde Lu och hans kollegor kraftfulla klassiska datorer för att fejka resultatet på drygt en minut 4.

Googles 2019 resultat är inte det enda som påverkas av klassiska förfalskningar. I juni 2023 rapporterade IBM-forskare och andra bevis 5 att deras 127 qubit dator skulle kunna lösa potentiellt användbara matematiska problem, som "går bortom brutala klassiska beräkningar." Inom några veckor visade flera studier 6, 7 att klassiska tillvägagångssätt kunde fortsätta att konkurrera.

Boixo och hans kollegor ville förstå hur brus gör kvantdatorer sårbara för klassiska förfalskningar. De fann att även små skillnader i qubit-felfrekvensen - från 99,4 % felfri till 99,7 % - får Sycamore att bete sig som om den var i ett nytt tillstånd, liknande hur materia ändras från fast till flytande.

"Vad [bruset] gör är att det förvandlar systemet till något klassiskt", säger Boixo. När väl en uppdaterad version av Sycamore med 67 qubits överskred en viss bruströskel, blev dess RCS-utgång klassiskt omöjlig att simulera.

Under de senaste två åren har försök att överträffa klassiska superdatorer också fokuserat på att minska qubit-brus. Foss-Feig och hans kollegor körde RCS på en 56-qubit kvantdator med låg felfrekvens 8 genom. Med bättre qubits, säger han, "kan klassiska datorer inte längre konkurrera med kvantdatorer, åtminstone för RCS."

En dag hoppas forskarna att kvantdatorer kommer att vara tillräckligt stora och felfria för att gå bortom konflikten mellan kvantdatorer och klassiska datorer. För nu nöjer de sig med att slåss. "Om du inte kan få en fördel i RCS, den enklaste av applikationerna," säger Boixo, "Jag tror inte att du kan vinna i någon annan 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. Förtryck på 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. Förtryck på 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. Förtryck på arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Ladda ner referenser