A kvantumchip mikroszekundumokat vesz igénybe, hogy egy szuperszámítógép 9,000 évet töltene a PlatoBlockchain adatintelligenciával. Függőleges keresés. Ai.

A kvantumchip mikroszekundumokat vesz igénybe egy olyan feladat elvégzéséhez, amelyet egy szuperszámítógép 9,000 évet töltene

Időbélyeg: 7. június 2022. 10:00
kvantumelőny fotonok fényalapú számítástechnika

A kvantumszámítógépek túlzásba esnek?

Egy új tanulmány in Természet nemet mond. A kanadai, torontói székhelyű Xanadu cég által kifejlesztett, okosan megtervezett kvantumeszköz a hagyományos számítógépeket semmisítette meg egy benchmark feladattal, amely egyébként több mint 9,000 évig tartana.

A Borealis kvantumchip esetében a válaszok 36-on belül voltak mikromásodperc.

Xanadu teljesítménye a legújabb, amely a kvantum erejét mutatja be számítástechnika a hagyományos számítógépekkel szemben – ez a látszólag egyszerű ötlet, amelyet kvantumelőnynek neveznek.

Elméletileg a koncepciónak van értelme. Ellentétben a hagyományos számítógépekkel, amelyek bináris bitek – 0 vagy 1 – segítségével számolnak egymás után, a kvantumeszközök a kvantumvilág furcsaságaiba csapnak bele, ahol 0 és 1 is létezhet egy időben, eltérő valószínűséggel. Az adatokat qubitben dolgozzák fel, egy nem kötelező egységben, amely egyedülálló fizikájának köszönhetően egyszerre több számítást is végrehajt.

Fordítás? A kvantumszámítógép olyan, mint egy rendkívül hatékony multitasker, míg a hagyományos számítógépek sokkal lineárisabbak. Ha ugyanazt a problémát kapja, a kvantumszámítógépnek képesnek kell lennie bármelyiket legyőzni szuperszámítógép bármilyen probléma esetén a sebesség és a hatékonyság tekintetében. A „kvantum felsőbbrendűségnek” nevezett ötlet volt a hajtóerő a számítógépek új generációja kidolgozására, amelyek teljesen idegenek mindentől, ami korábban készült.

A probléma? A kvantumfölény bizonyítása rendkívül nehéz. Ahogy a kvantumeszközök egyre gyakrabban hagyják el a laboratóriumot, hogy több valós problémát oldjanak meg, a tudósok egy köztes mércét alkalmaznak: a kvantumelőnyt, amely az az elképzelés, hogy a kvantumszámítógép egyetlen feladatnál – bármilyen feladatnál – képes legyőzni a hagyományos számítógépet.

Még 2019-ben a Google feltörte az internetet bemutatja a kvantumszámítógép első példáját, a Sycamore-t, amely mindössze 200 másodperc alatt 54 qubittel megold egy számítási problémát – egy hagyományos szuperszámítógép 10,000 XNUMX éves becsléséhez képest. Kínai csapat Ezt hamarosan a kvantumszámítási előnyök második lenyűgöző bemutatója követte, és a gép olyan válaszokat köpött, amelyekhez egy szuperszámítógépnek több mint kétmilliárd évre lenne szüksége.

Egy döntő kérdés azonban továbbra is fennáll: ezek közül a kvantumeszközök közül bármelyik közel áll a gyakorlati használatra?

Drasztikus újratervezés

Könnyű elfelejteni, hogy a számítógépek a fizikán alapulnak. A jelenlegi rendszerünk például rácsap elektronok és ügyesen megtervezett chipek feladataik ellátására. A kvantumszámítógépek hasonlóak, de alternatív részecskefizikára támaszkodnak. A kvantumgépek kezdeti generációi finom, csillogó csillároknak tűntek. Bár teljesen gyönyörűek, egy kompakt okostelefon chiphez képest teljesen kivitelezhetetlenek is. A hardver gyakran szigorúan ellenőrzött klímát igényel – például abszolút nulla közeli hőmérsékletet – az interferencia csökkentése és a számítógép hatékonyságának növelése érdekében.

A kvantumszámítás alapkoncepciója ugyanaz: a qubitek szuperpozícióban dolgozzák fel az adatokat, egy kvantumfizikai furcsaság, amely lehetővé teszi 0-k, 1-ek vagy mindkettő egyidejű kódolását. Az ötletet támogató hardver jelentősen eltér.

A Google Sycamore például szupravezető fémhurkokat használ – ez a beállítás népszerű más technológiai óriások körében, köztük az IBM, amely bemutatta az Eagle-t, a nagy teljesítményű 127 qubit kvantum chip 2021-ben ez körülbelül egynegyed nagyságú. Más iterációk cégektől, mint pl Honeywell és az IonQ más megközelítést alkalmazott, és az ionokat – az egy vagy több elektront eltávolított atomokat – használta a kvantumszámítás fő forrásaként.

Egy másik elképzelés fotonokon vagy fényrészecskéken alapul. Már bebizonyosodott, hogy hasznos: a kvantumelőny kínai demonstrációja például egy fotonikus eszközt használt. De ezt az ötletet is elkerülték, mint a kvantumszámítástechnika felé vezető lépcsőfokot, nem pedig gyakorlati megoldást, főként a tervezési és beállítási nehézségek miatt.

Fotonikus forradalom

Xanadu csapata bebizonyította, hogy az ellenzők tévedtek. Az új chip, a Borealis, kismértékben hasonlít a kínai tanulmányban szereplőhöz, mivel szupravezető anyagok vagy ionok helyett fotonokat használ a számításokhoz.

De van egy hatalmas előnye: programozható. "A korábbi kísérletek jellemzően statikus hálózatokra támaszkodtak, amelyekben minden alkatrészt rögzítenek, miután elkészítették." magyarázható Dr. Daniel Jost Brod a brazil Rio de Janeiro-i Szövetségi Fluminense Egyetemen, aki nem vett részt a vizsgálatban. A korábbi kvantumelőny demonstrációja a kínai tanulmányban statikus chipet használt. A Borealis esetében azonban az optikai elemek „minden könnyen programozható”, így kevésbé egy egyszer használatos eszköz, és inkább egy tényleges számítógép, amely potenciálisan több probléma megoldására is képes. (A kvantum játszótér az elérhető a felhőben bárki kísérletezhet és felfedezhet, miután regisztrál.)

A chip rugalmassága egy zseniális tervezési frissítésnek köszönhető, „egy innovatív sémának, amely lenyűgöző vezérlést és skálázási lehetőséget kínál” – mondta Brod.

A csapat nullázott egy problémát Gauss-bozon mintavétel, egy etalon a kvantumszámítási képességek értékeléséhez. A teszt, bár számítási szempontból rendkívül nehéz, nincs nagy hatással a valós problémákra. Azonban, mint a sakk vagy a Go az AI teljesítményének mérésére, elfogulatlan bíróként működik a kvantumszámítási teljesítmény vizsgálatában. Ez egyfajta „aranystandard”: „A Gauss-bozon mintavételezése egy olyan séma, amelyet arra terveztek, hogy bemutassa a kvantumeszközök előnyeit a klasszikus számítógépekkel szemben” – magyarázta Brod.

A felállítás olyan, mint egy karneváli mulatságos tükörsátor egy horrorfilmben. A fény (és a fotonok) különleges állapotai – mulatságosan "kifacsart állapotok”– a sugárosztók hálózatával beágyazott chipre alagútba vannak vezetve. Mindegyik sugárosztó félig visszaverő tükörként működik: attól függően, hogy a fény hogyan éri, több leányra hasad, amelyek közül néhány visszaverődik, mások pedig áthaladnak. A konstrukció végén egy sor fotondetektor található. Minél több a nyalábosztó, annál nehezebb kiszámítani, hogy az egyes fotonok hogyan jutnak el egy adott detektorhoz.

Egy másik vizualizációként: ábrázoljon egy babgépet, egy üvegbe burkolt, pöcökös deszkát. A játékhoz korongot kell dobni a tetején lévő csapokba. Ahogy a korong leesik, véletlenszerűen különböző csapokat talál, végül egy számozott résben landol.

A Gauss-bozon mintavétellel a korongokat fotonokra cserélik, azzal a céllal, hogy észleljék, melyik foton melyik detektorrésbe kerül. A kvantumtulajdonságok miatt a lehetséges eredő eloszlások exponenciálisan nőnek, gyorsan meghaladva a szuperszámítógépek teljesítményét. Ez egy kiváló viszonyítási alap, magyarázta Brod, nagyrészt azért, mert megértjük a mögöttes fizikát, és a beállítás azt sugallja, hogy akár néhány száz foton is kihívást jelenthet a szuperszámítógépeknek.

A kihívásnak megfelelõen az új tanulmány újragondolt egy fotonikus kvantumeszközt, csodálatos 216 qubittel. A klasszikus konstrukcióknak ellentmondóan a készülék a fotonokat az érkezési idő rekeszeiben számította ki, nem pedig a korábbi irányszabványt. A trükk az volt, hogy optikai szálak hurkát iktatták be a fotonok késleltetésére, így azok interferenciát okozhatnak a kvantumszámítás szempontjából fontos bizonyos pontokon.

Ezek a módosítások egy jelentősen karcsúsított eszközhöz vezettek. A sugárosztók szokásos nagy hálózata – amely általában a fotonkommunikációhoz szükséges – mindössze háromra csökkenthető, hogy a fotonok interakciójához és a feladat kiszámításához szükséges összes késleltetést alkalmazkodni lehessen. A hurokkialakítások a többi komponenssel együtt „könnyen programozhatók”, mivel a sugárosztó valós időben finomhangolható – például számítógépes kód szerkesztése, de hardver szinten.

A csapat egy szabványos józansági ellenőrzést is végrehajtott, amely igazolta, hogy a kimeneti adatok helyesek.

Egyelőre továbbra is ritkák azok a tanulmányok, amelyek megbízhatóan mutatják a kvantumfölényt. A hagyományos számítógépek fél évszázados előnnyel rendelkeznek. Ahogy az algoritmusok folyamatosan fejlődnek a hagyományos számítógépeken – különösen azokon, amelyek erőteljes AI-központú chipeket vagy neuromorf számítástechnikai tervezések – akár könnyen felülmúlhatják a kvantumeszközöket, így nehezen tudnak felzárkózni.

De ez a hajsza mókája. „A kvantumelőny nem egy jól meghatározott küszöb, egyetlen érdemi számon alapul. Ahogy a kísérletek fejlődnek, úgy fejlődnek majd a szimulációs technikák is – a közeljövőben arra számíthatunk, hogy a rekordot felállító kvantumeszközök és a klasszikus algoritmusok felváltva fogják megküzdeni egymással az első helyért” – mondta Brod.

„Lehet, hogy ezzel még nem ér véget a történet” – folytatta. Az új tanulmány azonban „ugrást jelent a kvantumfizika számára ebben a versenyben”.

Kép: geralt / 24493 kép

Időbélyeg:

Még több Singularity Hub