Introduktion
I hvilke specifikke tilfælde overgår kvantecomputere deres klassiske modstykker? Det er et svært spørgsmål at besvare, til dels fordi nutidens kvantecomputere er kræsne ting, plaget af fejl, der kan hobe sig op og ødelægge deres beregninger.
På én måde har de selvfølgelig allerede gjort det. I 2019, fysikere hos Google annoncerede at de brugte en 53-qubit maskine til at opnå kvanteoverherredømme, en symbolsk milepæl, der markerer det punkt, hvor en kvantecomputer gør noget uden for rækkevidde af enhver praktisk klassisk algoritme. Lignende demonstrationer af fysikere ved University of Science and Technology i Kina fulgte snart efter.
Men i stedet for at fokusere på et eksperimentelt resultat for en bestemt maskine, vil datalogerne gerne vide, om klassiske algoritmer vil være i stand til at følge med, efterhånden som kvantecomputere bliver større og større. "Håbet er, at kvantesiden til sidst bare trækker sig helt væk, indtil der ikke er nogen konkurrence længere," sagde Scott Aaronson, en datalog ved University of Texas, Austin.
Det generelle spørgsmål er stadig svært at besvare, igen delvist på grund af de irriterende fejl. (Fremtidige kvantemaskiner vil kompensere for deres ufuldkommenheder ved hjælp af en teknik kaldet kvantefejlkorrektion, men den evne er stadig et stykke væk.) Er det muligt at få den håbede løbske kvantefordel selv med ukorrigerede fejl?
De fleste forskere havde mistanke om, at svaret var nej, men de kunne ikke bevise det for alle tilfælde. Nu, i en papir sendt til preprint-serveren arxiv.org, har et team af dataloger taget et stort skridt hen imod et omfattende bevis på, at fejlkorrektion er nødvendig for en varig kvantefordel i tilfældig kredsløbssampling - det skræddersyede problem, som Google brugte til at vise kvanteoverherredømme. Det gjorde de ved at udvikle en klassisk algoritme, der kan simulere tilfældige kredsløbsprøveeksperimenter, når der er fejl.
"Det er et smukt teoretisk resultat," sagde Aaronson, mens han understregede, at den nye algoritme ikke er praktisk anvendelig til at simulere rigtige eksperimenter som Googles.
I tilfældige kredsløbsprøveeksperimenter starter forskere med en række qubits eller kvantebits. De manipulerer derefter tilfældigt disse qubits med operationer kaldet kvanteporte. Nogle porte får par af qubits til at blive viklet ind, hvilket betyder, at de deler en kvantetilstand og ikke kan beskrives separat. Gentagne lag af porte bringer qubits ind i en mere kompliceret sammenfiltret tilstand.
For at lære om den kvantetilstand måler forskere derefter alle qubits i arrayet. Dette får deres kollektive kvantetilstand til at kollapse til en tilfældig streng af almindelige bits - 0'er og 1'ere. Antallet af mulige udfald vokser hurtigt med antallet af qubits i arrayet: Med 53 qubits, som i Googles eksperiment, er det næsten 10 quadrillioner. Og ikke alle strenge er lige sandsynlige. Sampling fra et tilfældigt kredsløb betyder at gentage sådanne målinger mange gange for at opbygge et billede af den sandsynlighedsfordeling, der ligger til grund for resultaterne.
Spørgsmålet om kvantefordele er simpelthen dette: Er det svært at efterligne den sandsynlighedsfordeling med en klassisk algoritme der ikke bruger nogen sammenfiltring?
I 2019, forskere bevist at svaret er ja for fejlfrie kvantekredsløb: Det er faktisk svært klassisk at simulere et tilfældigt kredsløbsprøveeksperiment, når der ikke er nogen fejl. Forskerne arbejdede inden for rammerne af beregningsmæssig kompleksitetsteori, som klassificerer den relative sværhedsgrad af forskellige problemer. På dette område behandler forskere ikke antallet af qubits som et fast tal, såsom 53. "Tænk på det som n, hvilket er et tal, der vil stige,” sagde Aram Harrow, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology. »Så vil du spørge: Gør vi ting, hvor indsatsen er eksponentiel n eller polynomium i n?” Dette er den foretrukne måde at klassificere en algoritmes runtime - hvornår n vokser sig stor nok, en algoritme, der er eksponentiel i n halter langt efter enhver algoritme, der er polynomium i n. Når teoretikere taler om et problem, der er svært for klassiske computere, men let for kvantecomputere, henviser de til denne skelnen: Den bedste klassiske algoritme tager eksponentiel tid, mens en kvantecomputer kan løse problemet i polynomisk tid.
Alligevel ignorerede dette papir fra 2019 virkningerne af fejl forårsaget af ufuldkomne porte. Dette efterlod åbent tilfældet med en kvantefordel for tilfældig kredsløbssampling uden fejlkorrektion.
Hvis du forestiller dig konstant at øge antallet af qubits, som kompleksitetsteoretikere gør, og du også vil tage højde for fejl, skal du beslutte, om du også vil blive ved med at tilføje flere lag af porte - hvilket øger kredsløbsdybden, som forskere siger. Antag, at du holder kredsløbsdybden konstant ved f.eks. relativt lavvandede tre lag, når du øger antallet af qubits. Du vil ikke få meget sammenfiltring, og outputtet vil stadig være egnet til klassisk simulering. På den anden side, hvis du øger kredsløbsdybden for at følge med det voksende antal qubits, vil de kumulative effekter af gatefejl udvaske sammenfiltringen, og outputtet bliver igen let at simulere klassisk.
Men ind imellem ligger en Guldlok-zone. Før det nye papir var det stadig en mulighed, at kvantefordele kunne overleve her, selvom antallet af qubits steg. I dette tilfælde med mellemdybde øger du kredsløbsdybden ekstremt langsomt, efterhånden som antallet af qubits vokser: Selvom outputtet støt vil blive forringet af fejl, kan det stadig være svært at simulere klassisk ved hvert trin.
Det nye papir lukker dette hul. Forfatterne udledte en klassisk algoritme til at simulere tilfældig kredsløbsprøvetagning og beviste, at dens kørselstid er en polynomisk funktion af den tid, der kræves for at køre det tilsvarende kvanteeksperiment. Resultatet skaber en tæt teoretisk forbindelse mellem hastigheden af klassiske og kvantetilgange til tilfældig kredsløbsprøvetagning.
Den nye algoritme fungerer for en større klasse af mellemdybdekredsløb, men dens underliggende antagelser bryder sammen for visse mere lavvandede, hvilket efterlader et lille hul, hvor effektive klassiske simuleringsmetoder er ukendte. Men få forskere har håbet om, at tilfældig kredsløbsprøvetagning vil vise sig at være svær at simulere klassisk i dette tilbageværende slanke vindue. "Jeg giver det ret små odds," sagde Bill Fefferman, en datalog ved University of Chicago og en af forfatterne til teoriopgaven fra 2019.
Resultatet tyder på, at tilfældig kredsløbssampling ikke vil give en kvantefordel ved de strenge standarder for beregningsmæssig kompleksitetsteori. Samtidig illustrerer det det faktum, at polynomielle algoritmer, som kompleksitetsteoretikere vilkårligt kalder effektive, ikke nødvendigvis er hurtige i praksis. Den nye klassiske algoritme bliver gradvist langsommere, efterhånden som fejlraten falder, og ved de lave fejlrater, der opnås i kvanteoverherredømmeeksperimenter, er det alt for langsomt til at være praktisk. Uden fejl bryder den helt ned, så dette resultat modsiger ikke noget, forskerne vidste om, hvor svært det er klassisk at simulere tilfældig kredsløbsprøvetagning i det ideelle, fejlfrie tilfælde. Sergio Boixo, fysikeren, der leder Googles forskning i kvanteoverherredømme, siger, at han betragter papiret "mere som en god bekræftelse af tilfældig kredsløbsprøvetagning end noget andet."
På et punkt er alle forskere enige: Den nye algoritme understreger, hvor afgørende kvantefejlkorrektion vil være for den langsigtede succes med kvanteberegning. "Det er løsningen i slutningen af dagen," sagde Fefferman.
Redaktørens note: Scott Aaronson er medlem af Quanta Magazines Advisory Board.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
- Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
- Kilde: https://www.quantamagazine.org/new-algorithm-closes-quantum-supremacy-window-20230109/
- 10
- 2019
- a
- I stand
- Om
- Konto
- opnå
- opnået
- Fordel
- rådgivende
- rådgivende bestyrelse
- algoritme
- algoritmer
- Alle
- allerede
- ,
- besvare
- tilgange
- Array
- forfattere
- smuk
- fordi
- bliver
- før
- bag
- BEDSTE
- mellem
- Beyond
- større
- board
- Pause
- pauser
- bringe
- bygge
- beregninger
- ringe
- kaldet
- tilfælde
- tilfælde
- Årsag
- forårsagede
- årsager
- vis
- Chicago
- Kina
- klasse
- Klassificere
- Lukker
- Bryder sammen
- kollektive
- konkurrence
- fuldstændig
- kompleksitet
- kompliceret
- omfattende
- computer
- computere
- computing
- tilslutning
- konstant
- løbende
- Tilsvarende
- kunne
- Kursus
- afgørende
- dag
- dybde
- Afledt
- beskrevet
- udvikling
- DID
- forskellige
- forskellige problemer
- Vanskelighed
- fordeling
- Er ikke
- gør
- Dont
- ned
- hver
- effekter
- effektiv
- indsats
- nok
- lige
- fejl
- fejl
- Endog
- til sidst
- eksperiment
- eksponentiel
- ekstremt
- FAST
- få
- felt
- fast
- Fokus
- efterfulgt
- Framework
- fra
- funktion
- fremtiden
- kløft
- Gates
- Generelt
- få
- Giv
- gå
- Googles
- Dyrkning
- Vokser
- Hård Ost
- link.
- bedrift
- håber
- Hvordan
- HTTPS
- ideal
- in
- Forøg
- øget
- stigende
- Institut
- IT
- Holde
- Kend
- stor
- lag
- førende
- LÆR
- forlader
- Sandsynlig
- langsigtet
- Lav
- maskine
- Maskiner
- større
- mange
- Massachusetts
- Massachusetts Tekniske Institut
- betyder
- midler
- måle
- målinger
- medlem
- metoder
- måske
- milepæl
- MIT
- mere
- Natur
- næsten
- nødvendigvis
- nødvendig
- Behov
- Ny
- nummer
- Odds
- ONE
- åbent
- Produktion
- almindelig
- Andet
- par
- Papir
- del
- særlig
- billede
- plaget
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatoData
- Punkt
- Muligheden
- mulig
- indsendt
- Praktisk
- praktisk
- praksis
- foretrækkes
- præsentere
- smuk
- Problem
- problemer
- gradvist
- bevis
- Bevise
- bevist
- Sweatre & trøjer
- Quantamagazin
- Quantum
- kvantefordel
- Kvantecomputer
- kvantecomputere
- quantum computing
- kvantefejlkorrektion
- Kvanteovermagt
- qubits
- spørgsmål
- tilfældig
- hurtigt
- Sats
- priser
- nå
- ægte
- hilsen
- relativt
- resterende
- gentaget
- påkrævet
- forskning
- forskere
- resultere
- stringent
- Kør
- Said
- samme
- Videnskab
- Videnskab og Teknologi
- Videnskabsmand
- forskere
- scott aaronson
- lavvandet
- Del
- Vis
- side
- ganske enkelt
- simulation
- langsom
- langsomt
- lille
- So
- løsninger
- SOLVE
- nogle
- noget
- tale
- specifikke
- hastighed
- standarder
- starte
- Tilstand
- Trin
- Stadig
- succes
- sådan
- foreslår
- overgå
- overlever
- tager
- hold
- Teknologier
- Texas
- deres
- teoretisk
- ting
- tre
- tid
- gange
- til
- nutidens
- også
- mod
- behandle
- underliggende
- universitet
- University of Chicago
- Kinas universitet for videnskab og teknologi
- brug
- måder
- WebP
- Hvad
- hvorvidt
- som
- mens
- vilje
- inden for
- uden
- arbejdede
- virker
- Udbytte
- Du
- zephyrnet