Kvanttisiru kestää mikrosekuntia suorittaakseen tehtävän, jonka supertietokone käyttäisi 9,000 XNUMX vuotta

Ovatko kvanttitietokoneet liiallisia?

Uusi tutkimus in luonto sanoo ei. Taitavasti suunniteltu kvanttilaite, jonka on kehittänyt Xanadu, Torontossa, Kanadassa sijaitseva yritys, tuhosi tavanomaiset tietokoneet vertailutehtävässä, joka muuten kestäisi yli 9,000 XNUMX vuotta.

Kvanttisirun Borealis kohdalla vastaukset olivat 36:n sisällä mikrosekuntia.

Xanadun saavutus on viimeisin, joka osoittaa kvantin voiman tietojenkäsittely verrattuna perinteisiin tietokoneisiin - näennäisen yksinkertaista ideaa kutsutaan kvanttieduksi.

Teoriassa käsite on järkevä. Toisin kuin perinteiset tietokoneet, jotka laskevat peräkkäin käyttämällä binääribittejä – 0 tai 1 – kvanttilaitteet hyödyntävät kvanttimaailman omituisuuksia, joissa 0 ja 1 voivat olla olemassa samanaikaisesti eri todennäköisyyksillä. Tiedot käsitellään kubiteina, ei-sitovana yksikkönä, joka suorittaa samanaikaisesti useita laskutoimituksia ainutlaatuisen fysiikkansa ansiosta.

Käännös? Kvanttitietokone on kuin hypertehokas moniajo, kun taas perinteiset tietokoneet ovat paljon lineaarisempia. Kun kvanttitietokoneelle annetaan sama ongelma, sen pitäisi pystyä poistamaan mikä tahansa supertietokone kaikissa nopeuden ja tehokkuuden ongelmissa. "Kvanttiylivoimaksi" kutsuttu ajatus on ollut liikkeellepaneva voima ajaa uuden sukupolven tietokoneita, jotka ovat täysin vieraita kaikelle aiemmin tehdylle.

Ongelma? Kvanttiylivallan todistaminen on erittäin vaikeaa. Kun kvanttilaitteet lähtevät yhä useammin laboratoriosta ratkaisemaan enemmän reaalimaailman ongelmia, tutkijat omaksuvat välitason: kvanttiedun, joka on ajatus, että kvanttitietokone voi voittaa perinteisen tietokoneen vain yhdessä tehtävässä - missä tahansa tehtävässä.

Takaisin vuonna 2019, Google rikkoi internetin esittelee ensimmäistä esimerkkiä kvanttitietokoneesta, Sycamoresta, joka ratkaisee laskennallisen ongelman vain 200 sekunnissa 54 kubitilla - verrattuna perinteisen supertietokoneen arvioon 10,000 XNUMX vuodesta. Kiinalainen joukkue Pian seurasi toinen kiehtova esittely kvanttilaskennallisesta edusta, ja kone sylki ulos vastauksia, jotka kestäisivät supertietokoneelta yli kaksi miljardia vuotta.

Silti ratkaiseva kysymys on edelleen: onko mikään näistä kvanttilaitteista läheskään valmis käytännön käyttöön?

Drastinen uudelleensuunnittelu

On helppo unohtaa, että tietokoneet ovat riippuvaisia ​​fysiikasta. Esimerkiksi nykyinen järjestelmämme toimii elektronit ja taitavasti suunniteltu pelimerkkejä hoitamaan tehtäviään. Kvanttitietokoneet ovat samanlaisia, mutta ne perustuvat vaihtoehtoiseen hiukkasfysiikkaan. Kvanttikoneiden ensimmäiset sukupolvet näyttivät herkiltä, ​​hohtavilta kattokruunuilta. Vaikka ne ovat aivan upeita kompaktiin älypuhelimen siruun verrattuna, ne ovat myös täysin epäkäytännöllisiä. Laitteisto vaatii usein tiukasti kontrolloitua ilmastoa, esimerkiksi lähellä absoluuttista nollaa, vähentääkseen häiriöitä ja parantaakseen tietokoneen tehokkuutta.

Kvanttilaskennan ydinkonsepti on sama: kubitit käsittelevät dataa superpositiossa, kvanttifysiikan omituinen ominaisuus, jonka avulla ne voivat koodata nollia, 0:tä tai molempia samanaikaisesti. Ideaa tukeva laitteisto vaihtelee suuresti.

Esimerkiksi Googlen Sycamore käyttää suprajohtavia metallisilmukoita, jotka ovat suosittuja muiden teknologiajättien, kuten IBM:n, keskuudessa, joka esitteli tehokkaan Eaglen. 127 qubit kvanttisiru vuonna 2021 se on noin neljänneksen kokoinen. Muut iteraatiot yrityksiltä, ​​kuten Honeywell ja IonQ omaksuivat toisenlaisen lähestymistavan, hyödyntäen ioneja – atomeja, joista yksi tai useampi elektroni oli poistettu – päälähteeksi kvanttilaskentaan.

Toinen idea perustuu fotoneihin tai valohiukkasiin. Se on jo osoittautunut hyödylliseksi: esimerkiksi Kiinan kvanttiedun demonstraatiossa käytettiin fotonilaitetta. Mutta ideaa on myös vältetty pelkkänä ponnahduslautana kohti kvanttilaskentaa käytännöllisenä ratkaisuna, suurelta osin suunnittelu- ja asennusvaikeuksien vuoksi.

Fotoninen vallankumous

Xanadun tiimi osoitti vastustajat väärässä. Uusi siru, Borealis, on hieman samanlainen kuin kiinalaisen tutkimuksen siru, koska se käyttää laskennassa fotoneja - suprajohtavien materiaalien tai ionien sijaan.

Mutta sillä on valtava etu: se on ohjelmoitavissa. "Aiemmat kokeet perustuivat tyypillisesti staattisiin verkkoihin, joissa jokainen komponentti on kiinteä valmistuksen jälkeen." selitti Tri Daniel Jost Brod Federal Fluminense Universitystä Rio de Janeirossa Brasiliassa, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. Kiinalaisen tutkimuksen aikaisemmassa kvanttiedun esittelyssä käytettiin staattista sirua. Borealiksen optiset elementit "voidaan kuitenkin ohjelmoida helposti", mikä tekee siitä vähemmän kertakäyttöisen laitteen ja enemmän todellisen tietokoneen, joka mahdollisesti pystyy ratkaisemaan useita ongelmia. (Kvanttileikkikenttä on saatavilla pilvessä kuka tahansa voi kokeilla ja tutkia rekisteröitymisen jälkeen.)

Sirun joustavuus tulee nerokkaasta suunnittelupäivityksestä, "innovatiivisesta järjestelmästä, [joka] tarjoaa vaikuttavan ohjauksen ja skaalausmahdollisuudet", Brod sanoi.

Ryhmä nollautui ongelmaan nimeltä Gaussin bosonin näytteenotto, vertailukohta kvanttilaskennan suorituskyvyn arvioinnissa. Testillä, vaikka se onkin laskennallisesti poikkeuksellisen vaikea, ei ole paljon vaikutusta todellisiin ongelmiin. Kuitenkin, kuten shakki tai Go tekoälyn suorituskyvyn mittaamisessa, se toimii puolueettomana tuomarina kvanttilaskennan suorituskyvyn tutkimisessa. Se on eräänlainen "kultastandardi": "Gaussin bosonin näytteenotto on järjestelmä, joka on suunniteltu osoittamaan kvanttilaitteiden edut klassisiin tietokoneisiin verrattuna", Brod selitti.

Kokoonpano on kuin karnevaalihuvihuoneen peiliteltta kauhuelokuvassa. Valon (ja fotonien) erikoistilat – joita kutsutaan huvittavasti "puristetut tilat"-tunneloidaan sirulle, joka on upotettu säteenjakajaverkostolla. Jokainen säteenjakaja toimii kuin puoliheijastava peili: riippuen siitä, miten valo osuu, se jakautuu useiksi tyttäreiksi, joista osa heijastuu takaisin ja osa kulkee läpi. Hankkeen lopussa on joukko fotoniilmaisimia. Mitä enemmän säteen jakajia, sitä vaikeampaa on laskea, kuinka yksittäinen fotoni päätyy mihin tahansa ilmaisimeen.

Toinen visualisointi: kuvaa papukonetta, lasiin koteloitua tapilla nastoitettua lautaa. Pelataksesi pudottamalla kiekon yläosassa oleviin tappeihin. Kun kiekko putoaa, se osuu satunnaisesti eri tappeihin ja päätyy lopulta numeroituun paikkaan.

Gaussin bosoninäytteistys korvaa kiekot fotoneilla tavoitteena havaita, mikä fotoni laskeutuu mihinkin ilmaisinrakoon. Kvanttiominaisuuksista johtuen mahdolliset tuloksena olevat jakaumat kasvavat eksponentiaalisesti ohittaen nopeasti supertietokoneen tehot. Se on erinomainen vertailukohta, Brod selitti, suurelta osin siksi, että ymmärrämme taustalla olevan fysiikan, ja asetukset viittaavat siihen, että jopa muutama sata fotonia voi haastaa supertietokoneet.

Ottaakseen haasteen vastaan ​​uusi tutkimus kuvitteli uudelleen fotonisen kvanttilaitteen, jonka ihailtava 216 kubittia. Klassisten mallien vastaisesti laite laski fotonit saapumisajan säiliöissä aiemman suuntastandardin sijaan. Temppu oli ottaa käyttöön optisten kuitujen silmukoita, jotka viivästyttäisivät fotoneja, jotta ne voivat häiritä tiettyjä kvanttilaskennan kannalta tärkeitä kohtia.

Nämä parannukset johtivat huomattavasti ohutempaan laitteeseen. Tavanomainen laaja säteenjakajaverkko, jota tavallisesti tarvitaan fotoniviestintään, voidaan vähentää kolmeen, jotta fotonit voivat olla vuorovaikutuksessa ja tehtävän laskeneet kaikkiin tarvittaviin viiveisiin. Silmukkamallit yhdessä muiden komponenttien kanssa ovat myös "helposti ohjelmoitavia", koska säteenjakajaa voidaan hienosäätää reaaliajassa - kuten muokata tietokonekoodia, mutta laitteistotasolla.

Tiimi suoritti myös normaalin mielenterveystarkastuksen, joka varmisti, että lähtötiedot olivat oikein.

Toistaiseksi tutkimukset, jotka osoittavat luotettavasti kvanttiylivallan, ovat edelleen harvinaisia. Perinteisillä tietokoneilla on puolen vuosisadan etumatka. Algoritmit kehittyvät jatkuvasti perinteisissä tietokoneissa – varsinkin niissä, jotka hyödyntävät tehokkaita tekoälyyn keskittyviä siruja tai neuromorfinen laskentamalleja – ne voivat jopa helposti ylittää kvanttilaitteet, jolloin ne kamppailevat kuromalla kiinni.

Mutta se on takaa-ajon hauskuus. ”Kvanttietu ei ole hyvin määritelty kynnys, joka perustuu yhteen ansiotasoon. Ja kun kokeet kehittyvät, myös niiden simulointitekniikat kehittyvät – voimme odottaa ennätyskvanttilaitteiden ja klassisten algoritmien lähitulevaisuudessa vuorotellen haastavan toisiaan kärkipaikasta”, Brod sanoi.

"Se ei ehkä ole tarinan loppu", hän jatkoi. Mutta uusi tutkimus "on harppaus eteenpäin kvanttifysiikassa tässä kilpailussa".

Kuva pistetilanne: geralt / 24493 kuvaa

• Coinsmart. Euroopan paras Bitcoin- ja kryptopörssi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. VAPAA PÄÄSY.
• CryptoHawk. Altcoinin tutka. Ilmainen kokeilu.
• Lähde: https://singularityhub.com/2022/06/07/a-photonic-quantum-device-took-microseconds-to-do-a-task-a-conventional-computer-would-spend-9000-years- päällä/