Εισαγωγή
Σε ποιες συγκεκριμένες περιπτώσεις οι κβαντικοί υπολογιστές ξεπερνούν τους κλασικούς αντίστοιχους; Αυτή είναι μια δύσκολη ερώτηση για να απαντηθεί, εν μέρει επειδή οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές είναι περίεργα πράγματα, μαστίζονται από σφάλματα που μπορούν να συσσωρευτούν και να χαλάσουν τους υπολογισμούς τους.
Με ένα μέτρο, βέβαια, το έχουν ήδη κάνει. Το 2019, φυσικοί της Google ανακοίνωσε που χρησιμοποίησαν μηχανή 53 qubit για να επιτύχουν κβαντική υπεροχή, ένα συμβολικό ορόσημο που σηματοδοτεί το σημείο στο οποίο ένας κβαντικός υπολογιστής κάνει κάτι πέρα από κάθε πρακτικό κλασικό αλγόριθμο. Παρόμοιος διαδηλώσεις από φυσικούς στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας ακολούθησε σύντομα.
Αλλά αντί να επικεντρωθούν σε ένα πειραματικό αποτέλεσμα για μια συγκεκριμένη μηχανή, οι επιστήμονες υπολογιστών θέλουν να μάθουν εάν οι κλασικοί αλγόριθμοι θα είναι σε θέση να συμβαδίσουν καθώς οι κβαντικοί υπολογιστές γίνονται όλο και μεγαλύτεροι. «Η ελπίδα είναι ότι τελικά η κβαντική πλευρά θα απομακρυνθεί εντελώς μέχρι να μην υπάρχει πλέον ανταγωνισμός», είπε. Σκοτ Άαρσον, επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν.
Αυτή η γενική ερώτηση εξακολουθεί να είναι δύσκολο να απαντηθεί, και πάλι εν μέρει λόγω αυτών των ενοχλητικών σφαλμάτων. (Οι μελλοντικές κβαντικές μηχανές θα αντισταθμίσουν τις ατέλειές τους χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται κβαντική διόρθωση σφάλματος, αλλά αυτή η ικανότητα είναι ακόμα μακριά.) Είναι δυνατόν να αποκτήσουμε το αναμενόμενο μακρινό κβαντικό πλεονέκτημα ακόμη και με μη διορθωμένα σφάλματα;
Οι περισσότεροι ερευνητές υποψιάζονταν ότι η απάντηση ήταν αρνητική, αλλά δεν μπορούσαν να το αποδείξουν για όλες τις περιπτώσεις. Τώρα, σε ένα χαρτί Αναρτήθηκε στον διακομιστή προεκτύπωσης arxiv.org, μια ομάδα επιστημόνων υπολογιστών έκανε ένα σημαντικό βήμα προς μια ολοκληρωμένη απόδειξη ότι η διόρθωση σφαλμάτων είναι απαραίτητη για ένα διαρκές κβαντικό πλεονέκτημα στη δειγματοληψία τυχαίων κυκλωμάτων - το κατά παραγγελία πρόβλημα που χρησιμοποίησε η Google για να δείξει την κβαντική υπεροχή. Το έκαναν αναπτύσσοντας έναν κλασικό αλγόριθμο που μπορεί να προσομοιώσει πειράματα δειγματοληψίας τυχαίων κυκλωμάτων όταν υπάρχουν σφάλματα.
«Είναι ένα όμορφο θεωρητικό αποτέλεσμα», είπε ο Aaronson, ενώ τόνισε ότι ο νέος αλγόριθμος δεν είναι πρακτικά χρήσιμος για την προσομοίωση πραγματικών πειραμάτων όπως αυτό της Google.
Σε πειράματα δειγματοληψίας τυχαίων κυκλωμάτων, οι ερευνητές ξεκινούν με μια σειρά από qubits ή κβαντικά bit. Στη συνέχεια χειρίζονται τυχαία αυτά τα qubits με πράξεις που ονομάζονται κβαντικές πύλες. Ορισμένες πύλες αναγκάζουν τα ζεύγη qubits να μπλέκονται, που σημαίνει ότι μοιράζονται μια κβαντική κατάσταση και δεν μπορούν να περιγραφούν ξεχωριστά. Επανειλημμένα στρώματα πυλών φέρνουν τα qubits σε μια πιο περίπλοκη κατάσταση εμπλοκής.
Για να μάθουν για αυτήν την κβαντική κατάσταση, οι ερευνητές στη συνέχεια μετρούν όλα τα qubits του πίνακα. Αυτό προκαλεί την κατάρρευση της συλλογικής κβαντικής κατάστασής τους σε μια τυχαία σειρά από συνηθισμένα bit - 0 και 1. Ο αριθμός των πιθανών αποτελεσμάτων αυξάνεται γρήγορα με τον αριθμό των qubits στη συστοιχία: Με 53 qubits, όπως στο πείραμα της Google, είναι σχεδόν 10 τετράδα. Και δεν είναι όλες οι χορδές εξίσου πιθανές. Η δειγματοληψία από ένα τυχαίο κύκλωμα σημαίνει επανάληψη τέτοιων μετρήσεων πολλές φορές για να δημιουργηθεί μια εικόνα της κατανομής πιθανοτήτων που βασίζεται στα αποτελέσματα.
Το ερώτημα του κβαντικού πλεονεκτήματος είναι απλώς το εξής: Είναι δύσκολο να μιμηθεί κανείς αυτήν την κατανομή πιθανοτήτων με κλασικό αλγόριθμο που δεν χρησιμοποιεί καμία εμπλοκή;
Στο 2019, ερευνητές αποδείχθηκε ότι η απάντηση είναι ναι για κβαντικά κυκλώματα χωρίς σφάλματα: Είναι πράγματι δύσκολο να προσομοιώσεις κλασικά ένα πείραμα δειγματοληψίας τυχαίου κυκλώματος όταν δεν υπάρχουν σφάλματα. Οι ερευνητές εργάστηκαν στο πλαίσιο της θεωρίας της υπολογιστικής πολυπλοκότητας, η οποία ταξινομεί τη σχετική δυσκολία διαφορετικών προβλημάτων. Σε αυτό το πεδίο, οι ερευνητές δεν αντιμετωπίζουν τον αριθμό των qubits ως έναν σταθερό αριθμό όπως το 53. «Σκεφτείτε το ως n, που είναι ένας αριθμός που πρόκειται να αυξηθεί», είπε Αράμ Χάροου, φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. «Τότε θέλετε να ρωτήσετε: Κάνουμε πράγματα όπου η προσπάθεια είναι εκθετική; n ή πολυώνυμο σε n;" Αυτός είναι ο προτιμώμενος τρόπος ταξινόμησης του χρόνου εκτέλεσης ενός αλγορίθμου — πότε n μεγαλώνει αρκετά, ένας αλγόριθμος που είναι εκθετικός n υστερεί πολύ σε σχέση με οποιονδήποτε αλγόριθμο που είναι πολυωνυμικός n. Όταν οι θεωρητικοί μιλούν για ένα πρόβλημα που είναι δύσκολο για τους κλασσικούς υπολογιστές αλλά εύκολο για τους κβαντικούς υπολογιστές, αναφέρονται σε αυτή τη διάκριση: Ο καλύτερος κλασικός αλγόριθμος απαιτεί εκθετικό χρόνο, ενώ ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει το πρόβλημα σε πολυωνυμικό χρόνο.
Ωστόσο, αυτό το έγγραφο του 2019 αγνόησε τις επιπτώσεις των σφαλμάτων που προκαλούνται από ατελείς πύλες. Αυτό άφησε ανοιχτή την περίπτωση ενός κβαντικού πλεονεκτήματος για τυχαία δειγματοληψία κυκλώματος χωρίς διόρθωση σφαλμάτων.
Εάν φαντάζεστε ότι αυξάνετε συνεχώς τον αριθμό των qubits όπως κάνουν οι θεωρητικοί της πολυπλοκότητας και θέλετε επίσης να λάβετε υπόψη τα σφάλματα, πρέπει να αποφασίσετε εάν θα συνεχίσετε να προσθέτετε περισσότερα στρώματα πυλών — αυξάνοντας το βάθος του κυκλώματος, όπως λένε οι ερευνητές. Ας υποθέσουμε ότι διατηρείτε το βάθος του κυκλώματος σταθερό, ας πούμε, σε σχετικά ρηχά τρία επίπεδα, καθώς αυξάνετε τον αριθμό των qubits. Δεν θα μπερδευτείτε πολύ και η έξοδος θα εξακολουθεί να είναι επιδεκτική κλασικής προσομοίωσης. Από την άλλη πλευρά, εάν αυξήσετε το βάθος του κυκλώματος για να συμβαδίσετε με τον αυξανόμενο αριθμό των qubits, τα σωρευτικά αποτελέσματα των σφαλμάτων της πύλης θα ξεπλύνουν την εμπλοκή και η έξοδος θα γίνει και πάλι εύκολη στην κλασική προσομοίωση.
Αλλά ενδιάμεσα βρίσκεται μια ζώνη Goldilocks. Πριν από τη νέα δημοσίευση, εξακολουθούσε να υπάρχει πιθανότητα ότι το κβαντικό πλεονέκτημα θα μπορούσε να επιβιώσει εδώ, ακόμη και όταν ο αριθμός των qubits αυξανόταν. Σε αυτήν την περίπτωση ενδιάμεσου βάθους, αυξάνετε το βάθος του κυκλώματος εξαιρετικά αργά καθώς αυξάνεται ο αριθμός των qubits: Παρόλο που η έξοδος θα υποβαθμίζεται σταθερά από σφάλματα, μπορεί να είναι ακόμα δύσκολο να προσομοιωθεί κλασικά σε κάθε βήμα.
Το νέο χαρτί κλείνει αυτό το κενό. Οι συγγραφείς έβγαλαν έναν κλασικό αλγόριθμο για την προσομοίωση δειγματοληψίας τυχαίων κυκλωμάτων και απέδειξαν ότι ο χρόνος εκτέλεσης του είναι μια πολυωνυμική συνάρτηση του χρόνου που απαιτείται για την εκτέλεση του αντίστοιχου κβαντικού πειράματος. Το αποτέλεσμα σφυρηλατεί μια στενή θεωρητική σύνδεση μεταξύ της ταχύτητας των κλασικών και των κβαντικών προσεγγίσεων στη δειγματοληψία τυχαίων κυκλωμάτων.
Ο νέος αλγόριθμος λειτουργεί για μια μεγάλη κατηγορία κυκλωμάτων ενδιάμεσου βάθους, αλλά οι υποκείμενες υποθέσεις του καταρρέουν για ορισμένα πιο ρηχά, αφήνοντας ένα μικρό κενό όπου οι αποτελεσματικές κλασικές μέθοδοι προσομοίωσης είναι άγνωστες. Αλλά λίγοι ερευνητές διατηρούν την ελπίδα ότι η δειγματοληψία τυχαίου κυκλώματος θα αποδειχθεί δύσκολο να προσομοιωθεί κλασικά σε αυτό το εναπομείναν λεπτό παράθυρο. «Του δίνω πολύ μικρές πιθανότητες», είπε Μπιλ Φέφερμαν, επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και ένας από τους συγγραφείς της θεωρητικής εργασίας του 2019.
Το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι η τυχαία δειγματοληψία κυκλωμάτων δεν θα αποφέρει κβαντικό πλεονέκτημα από τα αυστηρά πρότυπα της θεωρίας της υπολογιστικής πολυπλοκότητας. Ταυτόχρονα, δείχνει το γεγονός ότι οι πολυωνυμικοί αλγόριθμοι, τους οποίους οι θεωρητικοί της πολυπλοκότητας αποκαλούν αδιακρίτως αποτελεσματικούς, δεν είναι απαραίτητα γρήγοροι στην πράξη. Ο νέος κλασικός αλγόριθμος γίνεται προοδευτικά πιο αργός καθώς μειώνεται το ποσοστό σφάλματος και με τα χαμηλά ποσοστά σφάλματος που επιτυγχάνονται στα πειράματα κβαντικής υπεροχής, είναι πολύ αργός για να είναι πρακτικός. Χωρίς σφάλματα, καταστρέφεται εντελώς, επομένως αυτό το αποτέλεσμα δεν έρχεται σε αντίθεση με τίποτα που γνώριζαν οι ερευνητές σχετικά με το πόσο δύσκολο είναι να προσομοιώσουν κλασικά τυχαία δειγματοληψία κυκλώματος στην ιδανική περίπτωση χωρίς σφάλματα. Sergio Boixo, ο φυσικός που ηγείται της έρευνας για την κβαντική υπεροχή της Google, λέει ότι θεωρεί την εργασία «περισσότερο ως μια ωραία επιβεβαίωση της δειγματοληψίας τυχαίων κυκλωμάτων παρά οτιδήποτε άλλο».
Σε ένα σημείο, όλοι οι ερευνητές συμφωνούν: Ο νέος αλγόριθμος υπογραμμίζει πόσο κρίσιμη θα είναι η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων για τη μακροπρόθεσμη επιτυχία του κβαντικού υπολογισμού. «Αυτή είναι η λύση, στο τέλος της ημέρας», είπε ο Fefferman.
Σημείωση του συντάκτη: Ο Scott Aaronson είναι μέλος της Συμβουλευτικής Επιτροπής του Quanta Magazine.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.quantamagazine.org/new-algorithm-closes-quantum-supremacy-window-20230109/
- 10
- 2019
- a
- Ικανός
- Σχετικα
- Λογαριασμός
- Κατορθώνω
- επιτευχθεί
- Πλεονέκτημα
- συμβουλευτικός
- συμβουλευτική Επιτροπή
- αλγόριθμος
- αλγόριθμοι
- Όλα
- ήδη
- και
- απάντηση
- προσεγγίσεις
- Παράταξη
- συγγραφείς
- όμορφη
- επειδή
- γίνονται
- πριν
- πίσω
- ΚΑΛΎΤΕΡΟΣ
- μεταξύ
- Πέρα
- μεγαλύτερος
- επιτροπή
- Διακοπή
- φρένα
- φέρω
- χτίζω
- υπολογισμοί
- κλήση
- που ονομάζεται
- περίπτωση
- περιπτώσεις
- Αιτία
- προκαλούνται
- αίτια
- ορισμένες
- Σικάγο
- Κίνα
- τάξη
- Ταξινόμηση
- Κλείνει
- Κατάρρευση
- Συλλογική
- ανταγωνισμός
- εντελώς
- περίπλοκο
- περίπλοκος
- περιεκτικός
- υπολογιστή
- υπολογιστές
- χρήση υπολογιστή
- σύνδεση
- σταθερός
- συνεχώς
- Αντίστοιχος
- θα μπορούσε να
- Πορεία
- κρίσιμος
- ημέρα
- βάθος
- Συμπληρωματικός
- περιγράφεται
- ανάπτυξη
- DID
- διαφορετικές
- διαφορετικά προβλήματα
- Δυσκολία
- διανομή
- Όχι
- πράξη
- Μην
- κάτω
- κάθε
- αποτελέσματα
- αποτελεσματικός
- προσπάθεια
- αρκετά
- εξίσου
- σφάλμα
- λάθη
- Even
- τελικά
- πείραμα
- εκθετικός
- εξαιρετικά
- FAST
- λίγοι
- πεδίο
- καθορίζεται
- Συγκέντρωση
- ακολουθείται
- Πλαίσιο
- από
- λειτουργία
- μελλοντικός
- χάσμα
- Πύλες
- General
- παίρνω
- Δώστε
- μετάβαση
- Της Google
- Μεγαλώνοντας
- μεγαλώνει
- Σκληρά
- εδώ
- κράτημα
- ελπίζω
- Πως
- HTTPS
- ιδανικό
- in
- Αυξάνουν
- αυξημένη
- αύξηση
- Ινστιτούτο
- IT
- Διατήρηση
- Ξέρω
- large
- στρώματα
- που οδηγεί
- ΜΑΘΑΊΝΩ
- αφήνοντας
- Πιθανός
- μακροπρόθεσμος
- Χαμηλός
- μηχανή
- μηχανήματα
- μεγάλες
- πολοί
- Μασαχουσέτη
- Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης
- νόημα
- μέσα
- μέτρο
- μετρήσεις
- μέλος
- μέθοδοι
- ενδέχεται να
- ορόσημο
- MIT
- περισσότερο
- Φύση
- σχεδόν
- αναγκαίως
- απαραίτητος
- Ανάγκη
- Νέα
- αριθμός
- Πιθανότητα
- ONE
- ανοίξτε
- λειτουργίες
- συνήθης
- ΑΛΛΑ
- ζεύγη
- Χαρτί
- μέρος
- Ειδικότερα
- εικόνα
- μολυνθεί
- Πλάτων
- Πληροφορία δεδομένων Plato
- Πλάτωνα δεδομένα
- Σημείο
- δυνατότητα
- δυνατός
- δημοσιεύτηκε
- Πρακτικός
- πρακτικά
- πρακτική
- προτιμάται
- παρόν
- αρκετά
- Πρόβλημα
- προβλήματα
- προοδευτικά
- απόδειξη
- Αποδείξτε
- αποδείχθηκε
- Τραβά
- Quantamamagazine
- Quantum
- κβαντικό πλεονέκτημα
- Κβαντικός υπολογιστής
- κβαντικούς υπολογιστές
- κβαντική υπολογιστική
- κβαντική διόρθωση σφάλματος
- Κβαντική υπεροχή
- qubits
- ερώτηση
- τυχαίος
- ταχέως
- Τιμή
- Τιμές
- φθάσουν
- πραγματικός
- αφορά
- σχετικά
- υπόλοιπα
- επανειλημμένες
- απαιτείται
- έρευνα
- ερευνητές
- αποτέλεσμα
- αυστηρός
- τρέξιμο
- Είπε
- ίδιο
- Επιστήμη
- Επιστήμη και Τεχνολογία
- Επιστήμονας
- επιστήμονες
- Σκοτ Άαρονσον
- αβαθής
- Κοινοποίηση
- δείχνουν
- πλευρά
- απλά
- προσομοίωση
- επιβραδύνουν
- Αργά
- small
- So
- λύση
- SOLVE
- μερικοί
- κάτι
- μιλούν
- συγκεκριμένες
- ταχύτητα
- πρότυπα
- Εκκίνηση
- Κατάσταση
- Βήμα
- Ακόμη
- επιτυχία
- τέτοιος
- Προτείνει
- ξεπερνούν
- επιβιώσουν
- παίρνει
- Τεχνολογία
- Τέξας
- Η
- τους
- θεωρητικός
- πράγματα
- τρία
- ώρα
- φορές
- προς την
- σημερινή
- πολύ
- προς
- θεραπεία
- υποκείμενες
- πανεπιστήμιο
- Πανεπιστήμιο του Σικάγου
- Πανεπιστήμιο Επιστημών και Τεχνολογίας της Κίνας
- χρήση
- τρόπους
- webp
- Τι
- αν
- Ποιό
- ενώ
- θα
- εντός
- χωρίς
- εργάστηκαν
- λειτουργεί
- Βελτιστοποίηση
- Εσείς
- zephyrnet