Kvantkiibil kulub ülesande täitmiseks mikrosekundeid, mille peale superarvuti kulutaks 9,000 aastat

Kas kvantarvutid on üle hüpatud?

Uues uurimuses in loodus ütleb ei. Kanadas Torontos asuva ettevõtte Xanadu poolt välja töötatud nutika disainiga kvantseade hävitas tavapärased arvutid, kasutades selleks etalonülesannet, mis muidu kestaks üle 9,000 aasta.

Kvantkiibi Borealis puhul jäid vastused 36 piiresse microsekundit.

Xanadu saavutus on viimane, mis näitab kvantide jõudu arvutustehnika võrreldes tavaliste arvutitega – näiliselt lihtne idee, mida nimetatakse kvanteeliseks.

Teoreetiliselt on kontseptsioon mõistlik. Erinevalt tavapärastest arvutitest, mis arvutavad järjestikku binaarbittide – 0 või 1 – abil, kasutavad kvantseadmed kvantmaailma veidrusi, kus 0 ja 1 võivad eksisteerida üheaegselt erinevate tõenäosustega. Andmeid töödeldakse kubitites, mittekohustuslikus ühikus, mis tänu ainulaadsele füüsikale teeb samaaegselt mitu arvutust.

Tõlge? Kvantarvuti on nagu ülitõhus multitegumseade, samas kui tavalised arvutid on palju lineaarsemad. Sama probleemi korral peaks kvantarvuti suutma ületada kõik superarvuti mis tahes kiiruse ja tõhususe probleemiga. Idee, mida nimetatakse "kvantülimuseks", on olnud liikumapanev jõud uue põlvkonna arvutitele, mis on täiesti võõrad kõigele varem tehtud arvutitele.

Probleem? Kvantide ülemvõimu tõestamine on äärmiselt keeruline. Kuna kvantseadmed lahkuvad üha enam laborist, et lahendada rohkem reaalseid probleeme, võtavad teadlased omaks vahepealse etalon: kvanteelise, mis seisneb idees, et kvantarvuti suudab ületada tavapärast arvutit vaid ühes ülesandes – mis tahes ülesandes.

Veel 2019. aastal, Google lõhkus interneti esitledes esimest näidet kvantarvutist Sycamore, mis lahendab arvutusprobleemi vaid 200 sekundiga 54 kubitiga – võrreldes tavapärase superarvuti hinnangulise 10,000 XNUMX aastaga. Hiina meeskond Peagi järgnes teine ​​põnev kvantarvutusliku eelise esitlus, kus masin sülitas välja vastuseid, milleks kuluks superarvutil üle kahe miljardi aasta.

Siiski jääb alles otsustav küsimus: kas mõni neist kvantseadmetest on praktiliselt kasutusvalmis?

Drastiline ümberkujundus

Lihtne on unustada, et arvutid toetuvad füüsikale. Näiteks meie praegune süsteem puudutab elektronid ja nutikalt kujundatud laastud oma ülesandeid täita. Kvantarvutid on sarnased, kuid toetuvad alternatiivsele osakeste füüsikale. Esialgsed kvantmasinate põlvkonnad nägid välja nagu õrnad, sädelevad lühtrid. Kuigi need on kompaktse nutitelefoni kiibiga võrreldes täiesti uhked, on need ka täiesti ebapraktilised. Riistvara nõuab sageli rangelt kontrollitud kliimat – näiteks absoluutse nullilähedast temperatuuri –, et vähendada häireid ja suurendada arvuti tõhusust.

Kvantarvutite põhikontseptsioon on sama: kubitid töötlevad andmeid superpositsioonis, kvantfüüsika veidrus, mis võimaldab neil kodeerida 0-sid, 1-sid või mõlemaid korraga. Ideed toetav riistvara on väga erinev.

Näiteks Google'i Sycamore kasutab ülijuhtivaid metallist silmuseid – seadistust, mis on populaarne teiste tehnoloogiahiiglaste, sealhulgas IBMi seas, mis tutvustas võimsat Eagle'i. 127-kubitine kvantkiip aastal 2021 on see umbes veerandi suurune. Muud iteratsioonid ettevõtetelt, näiteks Honeywell ja IonQ kasutas teistsugust lähenemist, kasutades ioone – aatomeid, millest üks või mitu elektroni oli eemaldatud – nende peamise kvantarvutuse allikana.

Teine idee tugineb footonitele ehk valgusosakestele. See on juba osutunud kasulikuks: näiteks Hiina kvanteelise demonstreerimisel kasutati fotoonseadet. Kuid seda ideed on välditud ka kui lihtsalt hüppelauda kvantarvutite poole, mitte praktilist lahendust, peamiselt inseneri- ja seadistamisraskuste tõttu.

Fotooniline revolutsioon

Xanadu meeskond osutus vasturääkijatele valeks. Uus kiip Borealis on pisut sarnane Hiina uuringus kasutatud kiipiga, kuna see kasutab arvutamiseks ülijuhtivate materjalide või ioonide asemel footoneid.

Kuid sellel on tohutu eelis: see on programmeeritav. "Varasemad katsed tuginesid tavaliselt staatilistele võrkudele, milles iga komponent on pärast valmistamist fikseeritud," selgitas Dr Daniel Jost Brod Rio de Janeiro Föderaalsest Fluminense Ülikoolist Brasiilias, kes ei osalenud uuringus. Hiina uuringu varasemas kvanteelise demonstreerimises kasutati staatilist kiipi. Borealisega saab aga optilisi elemente "kõiki hõlpsasti programmeerida", muutes selle vähem ühekordseks kasutamiseks mõeldud seadmeks ja rohkem tegelikuks arvutiks, mis võib potentsiaalselt lahendada mitmeid probleeme. (Kvantmänguväljak on saadaval pilves et igaüks saaks pärast registreerumist katsetada ja uurida.)

Kiibi paindlikkus tuleneb geniaalsest disainivärskendusest, "uuenduslikust skeemist, [mis] pakub muljetavaldavat juhtimist ja skaleerimise potentsiaali," ütles Brod.

Meeskond nullis probleemi nimega Gaussi bosoni proovide võtmine, etalon kvantarvutite võimekuse hindamiseks. Kuigi test on arvutuslikult erakordselt keeruline, ei mõjuta see tegelikke probleeme. Sarnaselt male või AI tulemuslikkuse mõõtmiseks Go toimib see aga kvantarvutite jõudluse uurimisel erapooletu kohtunikuna. See on omamoodi "kuldstandard": "Gaussi bosoni proovivõtt on skeem, mille eesmärk on demonstreerida kvantseadmete eeliseid klassikaliste arvutite ees," selgitas Brod.

Seadistus on nagu õudusfilmi karnevali lõbustusmaja peegeltelk. Valguse (ja footonite) eriseisundid – mida lõbusalt nimetataksepigistatud olekud”— on tunneldatud kiibile, mis on manustatud kiirejaoturite võrguga. Iga valgusvihu jaotur toimib nagu poolpeegeldav peegel: sõltuvalt sellest, kuidas valgus tabab, jaguneb see mitmeks tütreks, millest mõned peegeldavad tagasi ja teised läbivad. Kaevanduse lõpus on hulk footonidetektoreid. Mida rohkem on kiirte jagajaid, seda keerulisem on arvutada, kuidas mõni üksik footon konkreetse detektori juurde jõuab.

Teise visualiseeringuna: kujutage oamasinat, klaasiga ümbritsetud naastudega tahvlit. Mängimiseks viskate litri ülaosas asuvatesse pulkadesse. Kui litter kukub, tabab see juhuslikult erinevaid tihvte ja lõpuks maandub nummerdatud pessa.

Gaussi bosoni proovivõtt asendab litrid footonitega, eesmärgiga tuvastada, milline footon millisesse detektori pilusse maandub. Kvantide omaduste tõttu kasvavad võimalikud jaotused eksponentsiaalselt, ületades kiiresti kõik superarvuti võimsused. Brod selgitas, et see on suurepärane võrdlusalus suuresti seetõttu, et mõistame selle aluseks olevat füüsikat ja seadistus viitab sellele, et isegi paarsada footonit võivad superarvutitele väljakutse esitada.

Võttes vastu väljakutsele, kujundas uus uuring imetlusväärse 216 kubitiga fotoonilise kvantseadme. Klassikalise disainiga vastuolus arvutas seade footonid saabumisaja lahtrites, mitte eelmise suunastandardina. Trikk oli optiliste kiudude silmuste sisseviimine footonite edasilükkamiseks, et need saaksid häirida teatud kvantarvutuste jaoks olulisi kohti.

Need näpunäited viisid seadme tohutult väiksemaks. Tavalist suurt kiirjaoturite võrku, mida tavaliselt on vaja footonite kommunikatsiooniks, saab vähendada vaid kolmele, et võtta arvesse kõiki vajalikke viivitusi footonite interaktsiooniks ja ülesande arvutamiseks. Silmuste kujundused koos teiste komponentidega on samuti "kergesti programmeeritavad", kuna kiirjaoturit saab reaalajas peenhäälestada, nagu arvutikoodi redigeerimine, kuid riistvara tasemel.

Meeskond tegi ka standardse mõistuse kontrolli, kinnitades, et väljundandmed olid õiged.

Praegu on uuringud, mis näitavad usaldusväärselt kvantide ülemvõimu, harva. Tavalistel arvutitel on pool sajandit edumaa. Kuna algoritmid arenevad tavalistes arvutites, eriti nendes, mis kasutavad võimsaid AI-le keskenduvaid kiipe või neuromorfne andmetöötluse disainilahendused – need võivad isegi kvantseadmeid hõlpsalt ületada, jättes neil raskusi järele jõudmisega.

Aga see on tagaajamise lõbu. „Kvantieelis ei ole täpselt määratletud künnis, mis põhineb ühel teenete arvul. Eksperimentide arenedes arenevad ka nende simuleerimise tehnikad – lähitulevikus võime eeldada, et rekordit püstitavad kvantseadmed ja klassikalised algoritmid esitavad üksteisele vaheldumisi esikoha,” ütles Brod.

"See ei pruugi olla loo lõpp," jätkas ta. Kuid uus uuring "on selles võidusõidus kvantfüüsika jaoks samm edasi."

Image Credit: geralt / 24493 pilti

• Münditark. Euroopa parim Bitcoini ja krüptobörs.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. TASUTA PÄÄS.
• CryptoHawk. Altcoini radar. Tasuta prooviversioon.
• Allikas: https://singularityhub.com/2022/06/07/a-photonic-quantum-device-took-microseconds-to-do-a-task-a-conventional-computer-would-spend-9000-years- peal/