Το Quantum Chip χρειάζεται μικροδευτερόλεπτα για να κάνει μια εργασία που ένας υπερυπολογιστής θα ξόδευε 9,000 χρόνια στη νοημοσύνη δεδομένων PlatoBlockchain. Κάθετη αναζήτηση. Ολα συμπεριλαμβάνονται.

Το Quantum Chip χρειάζεται μικροδευτερόλεπτα για να κάνει μια εργασία στην οποία ένας υπερυπολογιστής θα ξόδευε 9,000 χρόνια

Χρονική σήμανση: 7 Ιουνίου 2022 10:00 π.μ.
Κβαντικό πλεονέκτημα φωτονίων υπολογισμός με βάση το φως

Είναι οι κβαντικοί υπολογιστές υπερδιαφημισμένοι;

Μια νέα μελέτη in Φύση λέει όχι. Μια έξυπνα σχεδιασμένη κβαντική συσκευή που αναπτύχθηκε από την Xanadu, μια εταιρεία με έδρα το Τορόντο του Καναδά, εξάλειψε τους συμβατικούς υπολογιστές σε μια εργασία αναφοράς που διαφορετικά θα χρειαζόταν πάνω από 9,000 χρόνια.

Για το κβαντικό τσιπ Borealis, οι απαντήσεις ήρθαν εντός 36 μικροδευτερόλεπτα.

Το επίτευγμα του Xanadu είναι το πιο πρόσφατο που δείχνει τη δύναμη του κβαντικού χρήση υπολογιστή σε σχέση με τους συμβατικούς υπολογιστές—μια φαινομενικά απλή ιδέα που ονομάζεται κβαντικό πλεονέκτημα.

Θεωρητικά, η έννοια έχει νόημα. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς υπολογιστές, οι οποίοι υπολογίζουν διαδοχικά χρησιμοποιώντας δυαδικά bit—0 ή 1—οι κβαντικές συσκευές αγγίζουν το παράξενο του κβαντικού κόσμου, όπου το 0 και το 1 μπορούν να υπάρχουν και τα δύο ταυτόχρονα με διαφορετικές πιθανότητες. Τα δεδομένα υποβάλλονται σε επεξεργασία σε qubits, μια μη δεσμευτική μονάδα που εκτελεί ταυτόχρονα πολλαπλούς υπολογισμούς χάρη στη μοναδική φυσική της.

Μετάφραση? Ένας κβαντικός υπολογιστής μοιάζει με έναν υπερ-αποδοτικό multitasker, ενώ οι συμβατικοί υπολογιστές είναι πολύ πιο γραμμικοί. Όταν αντιμετωπίζεται το ίδιο πρόβλημα, ένας κβαντικός υπολογιστής θα πρέπει να μπορεί να ξεπεράσει οποιοδήποτε υπερυπολογιστής σε οποιοδήποτε πρόβλημα όσον αφορά την ταχύτητα και την αποτελεσματικότητα. Η ιδέα, που ονομάστηκε «κβαντική υπεροχή», ήταν η κινητήρια δύναμη για την ώθηση για μια νέα γενιά υπολογιστών εντελώς ξένων σε οτιδήποτε είχε κατασκευαστεί στο παρελθόν.

Το πρόβλημα? Η απόδειξη της κβαντικής υπεροχής είναι εξαιρετικά δύσκολη. Καθώς οι κβαντικές συσκευές φεύγουν όλο και περισσότερο από το εργαστήριο για να λύσουν περισσότερα προβλήματα του πραγματικού κόσμου, οι επιστήμονες υιοθετούν ένα ενδιάμεσο σημείο αναφοράς: το κβαντικό πλεονέκτημα, το οποίο είναι η ιδέα ότι ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να νικήσει έναν συμβατικό σε μία μόνο εργασία - οποιαδήποτε εργασία.

Πίσω το 2019, η Google έσπασε το διαδίκτυο παρουσιάζοντας το πρώτο παράδειγμα ενός κβαντικού υπολογιστή, το Sycamore, που λύνει ένα υπολογιστικό πρόβλημα σε μόλις 200 δευτερόλεπτα με 54 qubits—σε σύγκριση με την εκτίμηση ενός συμβατικού υπερυπολογιστή για 10,000 χρόνια. Κινεζική ομάδα Σύντομα ακολούθησε μια δεύτερη συναρπαστική έκθεση κβαντικού υπολογιστικού πλεονεκτήματος, με το μηχάνημα να βγάζει απαντήσεις που θα χρειάζονταν ένας υπερυπολογιστής πάνω από δύο δισεκατομμύρια χρόνια.

Ωστόσο, ένα κρίσιμο ερώτημα παραμένει: είναι κάποια από αυτές τις κβαντικές συσκευές έστω και κοντά στο να είναι έτοιμη για πρακτική χρήση;

Ένας δραστικός επανασχεδιασμός

Είναι εύκολο να ξεχάσουμε ότι οι υπολογιστές βασίζονται στη φυσική. Το τρέχον σύστημά μας, για παράδειγμα, εμπλέκεται ηλεκτρόνια και έξυπνα σχεδιασμένο τσιπ να εκτελούν τις λειτουργίες τους. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι παρόμοιοι, αλλά βασίζονται στην εναλλακτική σωματιδιακή φυσική. Οι αρχικές γενιές κβαντικών μηχανών έμοιαζαν με ευαίσθητους, αστραφτερούς πολυελαίους. Αν και είναι απολύτως πανέμορφα, σε σύγκριση με ένα συμπαγές τσιπ smartphone, είναι επίσης εντελώς ανέφικτα. Το υλικό απαιτεί συχνά αυστηρά ελεγχόμενα κλίματα - για παράδειγμα, σχεδόν μηδενική θερμοκρασία - για τη μείωση των παρεμβολών και την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας του υπολογιστή.

Η βασική ιδέα του κβαντικού υπολογισμού είναι η ίδια: qubits επεξεργάζονται δεδομένα σε υπέρθεση, μια ιδιορρυθμία της κβαντικής φυσικής που τους επιτρέπει να κωδικοποιούν 0, 1 ή και τα δύο ταυτόχρονα. Το υλικό που υποστηρίζει την ιδέα διαφέρει πολύ.

Το Sycamore της Google, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί υπεραγώγιμους μεταλλικούς βρόχους—μια εγκατάσταση δημοφιλής σε άλλους τεχνολογικούς γίγαντες, συμπεριλαμβανομένης της IBM, η οποία παρουσίασε το Eagle, ένα ισχυρό Κβαντικό τσιπ 127 qubit το 2021 είναι περίπου το μέγεθος ενός τετάρτου. Άλλες επαναλήψεις από εταιρείες όπως π.χ Honeywell και το IonQ ακολούθησαν μια διαφορετική προσέγγιση, χρησιμοποιώντας ιόντα -άτομα με ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια αφαιρεμένα- ως την κύρια πηγή τους για τον κβαντικό υπολογισμό.

Μια άλλη ιδέα βασίζεται σε φωτόνια, ή σωματίδια φωτός. Έχει ήδη αποδειχθεί χρήσιμο: η κινεζική επίδειξη κβαντικού πλεονεκτήματος, για παράδειγμα, χρησιμοποίησε μια φωτονική συσκευή. Αλλά η ιδέα έχει επίσης απορριφθεί ως ένα απλό σκαλοπάτι προς την κβαντική υπολογιστική και όχι ως πρακτική λύση, κυρίως λόγω δυσκολιών στη μηχανική και την εγκατάσταση.

Μια Φωτονική Επανάσταση

Η ομάδα του Xanadu απέδειξε ότι οι αρνητές έκαναν λάθος. Το νέο τσιπ, το Borealis, είναι οριακά παρόμοιο με αυτό της κινεζικής μελέτης στο ότι χρησιμοποιεί φωτόνια - αντί υπεραγώγιμα υλικά ή ιόντα - για υπολογισμούς.

Έχει όμως ένα τεράστιο πλεονέκτημα: είναι προγραμματιζόμενο. "Τα προηγούμενα πειράματα βασίζονταν συνήθως σε στατικά δίκτυα, στα οποία κάθε στοιχείο σταθεροποιείται μόλις κατασκευαστεί." εξήγησε Ο Δρ Daniel Jost Brod στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο Fluminense στο Ρίο ντε Τζανέιρο στη Βραζιλία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Η προηγούμενη επίδειξη κβαντικού πλεονεκτήματος στην κινεζική μελέτη χρησιμοποιούσε ένα στατικό τσιπ. Με το Borealis, ωστόσο, τα οπτικά στοιχεία «μπορούν όλα να προγραμματιστούν εύκολα», καθιστώντας το λιγότερο μια συσκευή μίας χρήσης και περισσότερο ως έναν πραγματικό υπολογιστή που δυνητικά μπορεί να λύσει πολλά προβλήματα. (Η κβαντική παιδική χαρά είναι διαθέσιμο στο cloud για να πειραματιστεί και να εξερευνήσει οποιοσδήποτε μόλις εγγραφείτε.)

Η ευελιξία του τσιπ προέρχεται από μια έξυπνη σχεδιαστική ενημέρωση, ένα «καινοτόμο σχήμα [που] προσφέρει εντυπωσιακό έλεγχο και δυνατότητες κλιμάκωσης», είπε ο Brod.

Η ομάδα μηδένισε ένα πρόβλημα που τέθηκε Δειγματοληψία μποζονίου Gauss, ένα σημείο αναφοράς για την αξιολόγηση της ικανότητας των κβαντικών υπολογιστών. Το τεστ, αν και είναι εξαιρετικά δύσκολο υπολογιστικά, δεν έχει μεγάλο αντίκτυπο στα προβλήματα του πραγματικού κόσμου. Ωστόσο, όπως το σκάκι ή το Go για τη μέτρηση της απόδοσης της τεχνητής νοημοσύνης, λειτουργεί ως αμερόληπτος κριτής για να εξετάσει την απόδοση των κβαντικών υπολογιστών. Είναι ένα είδος «χρυσού προτύπου»: «Η δειγματοληψία μποζονίων Gauss είναι ένα σχήμα που έχει σχεδιαστεί για να δείξει τα πλεονεκτήματα των κβαντικών συσκευών έναντι των κλασικών υπολογιστών», εξήγησε ο Brod.

Το στήσιμο είναι σαν μια σκηνή καθρέφτη διασκέδασης καρναβαλιού σε ταινία τρόμου. Ειδικές καταστάσεις φωτός (και φωτονίων) - που διασκεδαστικά ονομάζονται "συμπιεσμένες πολιτείες»— τοποθετούνται σε σήραγγα στο τσιπ που είναι ενσωματωμένο με ένα δίκτυο διαχωριστών δέσμης. Κάθε διαχωριστής δέσμης λειτουργεί σαν ημι-ανακλαστικός καθρέφτης: ανάλογα με το πώς χτυπά το φως, χωρίζεται σε πολλαπλές κόρες, με κάποιες να αντανακλούν προς τα πίσω και άλλες να περνούν από μέσα. Στο τέλος του μηχανήματος υπάρχει μια σειρά από ανιχνευτές φωτονίων. Όσο περισσότεροι διαχωριστές δέσμης, τόσο πιο δύσκολο είναι να υπολογίσουμε πώς θα καταλήξει ένα μεμονωμένο φωτόνιο σε κάθε δεδομένο ανιχνευτή.

Ως μια άλλη οπτικοποίηση: απεικονίστε μια μηχανή φασολιών, μια σανίδα με καρφιά που περικλείεται σε γυαλί. Για να παίξετε, ρίχνετε ένα ξωτικό στα μανταλάκια στην κορυφή. Καθώς το ξωτικό πέφτει, χτυπά τυχαία διαφορετικά μανταλάκια, τελικά προσγειώνεται σε μια αριθμημένη σχισμή.

Η δειγματοληψία μποζονίου Gauss αντικαθιστά τα ακίδες με φωτόνια, με στόχο να ανιχνεύσει ποιο φωτόνιο προσγειώνεται σε ποια σχισμή ανιχνευτή. Λόγω των κβαντικών ιδιοτήτων, οι πιθανές κατανομές που προκύπτουν αυξάνονται εκθετικά, ξεπερνώντας γρήγορα κάθε δύναμη υπερυπολογιστή. Είναι ένα εξαιρετικό σημείο αναφοράς, εξήγησε ο Brod, κυρίως επειδή κατανοούμε την υποκείμενη φυσική, και η εγκατάσταση υποδηλώνει ότι ακόμη και μερικές εκατοντάδες φωτόνια μπορούν να αμφισβητήσουν τους υπερυπολογιστές.

Αντιμετωπίζοντας την πρόκληση, η νέα μελέτη επανασχεδίασε μια φωτονική κβαντική συσκευή με αξιοθαύμαστα 216 qubits. Σε αντίθεση με τα κλασικά σχέδια, η συσκευή υπολόγισε τα φωτόνια στους κάδους του χρόνου άφιξης και όχι στο προηγούμενο πρότυπο κατεύθυνσης. Το κόλπο ήταν να εισαχθούν βρόχοι οπτικών ινών για να καθυστερήσουν τα φωτόνια, ώστε να μπορούν να παρεμβαίνουν σε συγκεκριμένα σημεία σημαντικά για τον κβαντικό υπολογισμό.

Αυτές οι τροποποιήσεις οδήγησαν σε μια εξαιρετικά αδυνατισμένη συσκευή. Το συνηθισμένο μεγάλο δίκτυο διαχωριστών δέσμης —που συνήθως απαιτούνται για επικοινωνίες φωτονίων— μπορεί να μειωθεί σε μόλις τρία για να καλύψει όλες τις απαραίτητες καθυστερήσεις ώστε τα φωτόνια να αλληλεπιδράσουν και να υπολογίσουν την εργασία. Τα σχέδια βρόχου, μαζί με άλλα εξαρτήματα, είναι επίσης «εύκολα προγραμματιζόμενα», καθώς ένας διαχωριστής δέσμης μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια σε πραγματικό χρόνο—όπως η επεξεργασία κώδικα υπολογιστή, αλλά σε επίπεδο υλικού.

Η ομάδα έκανε επίσης έναν τυπικό έλεγχο υγιεινής, πιστοποιώντας ότι τα δεδομένα εξόδου ήταν σωστά.

Προς το παρόν, μελέτες που δείχνουν αξιόπιστα την κβαντική υπεροχή παραμένουν σπάνιες. Οι συμβατικοί υπολογιστές έχουν ένα ξεκίνημα μισού αιώνα. Καθώς οι αλγόριθμοι συνεχίζουν να εξελίσσονται σε συμβατικούς υπολογιστές—ειδικά εκείνους που χρησιμοποιούν ισχυρά τσιπ με εστίαση στην τεχνητή νοημοσύνη ή νευρομορφικό υπολογιστικά σχέδια—μπορεί ακόμη και να ξεπεράσουν εύκολα τις κβαντικές συσκευές, με αποτέλεσμα να δυσκολεύονται να καλύψουν τη διαφορά.

Αλλά αυτή είναι η διασκέδαση του κυνηγητού. «Το κβαντικό πλεονέκτημα δεν είναι ένα καλά καθορισμένο κατώφλι, που βασίζεται σε ένα μόνο στοιχείο αξίας. Και καθώς αναπτύσσονται τα πειράματα, θα εξελίσσονται και οι τεχνικές για την προσομοίωσή τους —μπορούμε να περιμένουμε κβαντικές συσκευές και κλασσικοί αλγόριθμοι που σημειώνουν ρεκόρ στο εγγύς μέλλον να αναμετρηθούν με τη σειρά τους για να προκαλέσουν ο ένας τον άλλον για την πρώτη θέση», είπε ο Μπροντ.

«Μπορεί να μην είναι το τέλος της ιστορίας», συνέχισε. Αλλά η νέα μελέτη «είναι ένα άλμα προς τα εμπρός για την κβαντική φυσική σε αυτόν τον αγώνα».

Image Credit: geralt / 24493 εικόνες

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κέντρο μοναδικότητας