Chip Quantum Membutuhkan Mikrodetik untuk Melakukan Tugas Superkomputer Akan Menghabiskan 9,000 Tahun Pada Intelijen Data PlatoBlockchain. Pencarian Vertikal. ai.

Chip Quantum Membutuhkan Mikrodetik untuk Melakukan Tugas yang Akan Dihabiskan Superkomputer Selama 9,000 Tahun

Stempel Waktu: 7 Juni 2022 10
keuntungan kuantum foton komputasi berbasis cahaya

Apakah komputer kuantum overhyped?

Sebuah studi baru in Alam mengatakan tidak. Perangkat kuantum yang dirancang dengan cerdik yang dikembangkan oleh Xanadu, sebuah perusahaan yang berbasis di Toronto, Kanada, melenyapkan komputer konvensional pada tugas benchmark yang akan memakan waktu lebih dari 9,000 tahun.

Untuk chip kuantum Borealis, jawaban datang dalam 36 mikrodetik.

Prestasi Xanadu adalah yang terbaru untuk menunjukkan kekuatan kuantum komputasi dibandingkan komputer konvensional—ide yang tampaknya sederhana disebut keunggulan kuantum.

Secara teoritis, konsep itu masuk akal. Tidak seperti komputer konvensional, yang menghitung secara berurutan menggunakan bit biner—0 atau 1—perangkat kuantum memanfaatkan keanehan dunia kuantum, di mana 0 dan 1 bisa ada pada saat yang sama dengan probabilitas yang berbeda. Data diproses dalam qubit, unit noncommittal yang secara bersamaan melakukan banyak perhitungan berkat fisika uniknya.

Terjemahan? Komputer kuantum seperti multitasker yang sangat efisien, sedangkan komputer konvensional jauh lebih linier. Ketika diberikan masalah yang sama, komputer kuantum harus mampu mengalahkan apa pun superkomputer dalam masalah apa pun dalam hal kecepatan dan efisiensi. Idenya, dijuluki "supremasi kuantum," telah menjadi kekuatan pendorong untuk mendorong generasi baru komputer yang sama sekali asing dengan apa pun yang dibuat sebelumnya.

Masalah? Membuktikan supremasi kuantum sangat sulit. Ketika perangkat kuantum semakin banyak meninggalkan lab untuk memecahkan lebih banyak masalah dunia nyata, para ilmuwan merangkul tolok ukur menengah: keunggulan kuantum, yang merupakan gagasan bahwa komputer kuantum dapat mengalahkan komputer konvensional hanya dalam satu tugas—tugas apa pun.

Kembali pada tahun 2019, Google putus internet menampilkan contoh pertama komputer kuantum, Sycamore, memecahkan masalah komputasi hanya dalam 200 detik dengan 54 qubit—dibandingkan dengan perkiraan superkomputer konvensional 10,000 tahun. Sebuah tim Cina segera diikuti dengan pertunjukan menarik kedua dari keunggulan komputasi kuantum, dengan mesin yang mengeluarkan jawaban yang akan membutuhkan superkomputer lebih dari dua miliar tahun.

Namun pertanyaan penting tetap ada: apakah ada perangkat kuantum ini yang hampir siap untuk penggunaan praktis?

Desain Ulang yang Drastis

Sangat mudah untuk melupakan bahwa komputer bergantung pada fisika. Sistem kami saat ini, misalnya, memanfaatkan elektron dan dirancang dengan cerdas keripik untuk menjalankan fungsinya. Komputer kuantum serupa, tetapi mereka mengandalkan fisika partikel alternatif. Generasi awal mesin kuantum tampak seperti lampu gantung yang halus dan berkilauan. Meskipun benar-benar cantik, dibandingkan dengan chip smartphone yang ringkas, mereka juga sama sekali tidak praktis. Perangkat keras sering kali memerlukan iklim yang dikontrol ketat—misalnya, suhu mendekati nol mutlak—untuk mengurangi interferensi dan meningkatkan efisiensi komputer.

Konsep inti komputasi kuantum adalah sama: qubit memproses data dalam superposisi, kekhasan fisika kuantum yang memungkinkan mereka mengkodekan 0, 1, atau keduanya pada saat yang bersamaan. Perangkat keras yang mendukung gagasan itu sangat berbeda.

Sycamore Google, misalnya, menggunakan loop logam superkonduktor—pengaturan yang populer dengan raksasa teknologi lainnya termasuk IBM, yang memperkenalkan Eagle, Chip kuantum 127-qubit pada tahun 2021 itu kira-kira sebesar seperempat. Iterasi lain dari perusahaan seperti Honeywell dan IonQ mengambil pendekatan yang berbeda, memanfaatkan ion—atom dengan satu atau lebih elektron yang dilepaskan—sebagai sumber utama mereka untuk komputasi kuantum.

Ide lain bergantung pada foton, atau partikel cahaya. Ini sudah terbukti berguna: demonstrasi Cina tentang keunggulan kuantum, misalnya, menggunakan perangkat fotonik. Tetapi gagasan itu juga telah dijauhi sebagai batu loncatan belaka menuju komputasi kuantum daripada solusi praktis, sebagian besar karena kesulitan dalam rekayasa dan pengaturan.

Revolusi Fotonik

Tim Xanadu membuktikan para penentang salah. Chip baru, Borealis, sedikit mirip dengan yang ada di penelitian Cina karena menggunakan foton—bukan bahan atau ion superkonduktor—untuk perhitungan.

Tetapi ini memiliki keuntungan besar: dapat diprogram. “Eksperimen sebelumnya biasanya mengandalkan jaringan statis, di mana setiap komponen diperbaiki setelah dibuat,” menjelaskan Dr Daniel Jost Brod di Universitas Federal Fluminense di Rio de Janeiro di Brasil, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Demonstrasi keuntungan kuantum sebelumnya dalam studi Cina menggunakan chip statis. Namun, dengan Borealis, elemen optik "semuanya dapat dengan mudah diprogram", menjadikannya lebih sedikit dari perangkat sekali pakai dan lebih dari komputer aktual yang berpotensi mampu memecahkan banyak masalah. (Taman bermain kuantum adalah tersedia di awan bagi siapa saja untuk bereksperimen dan menjelajah setelah Anda mendaftar.)

Fleksibilitas chip berasal dari pembaruan desain yang cerdik, "skema inovatif [yang] menawarkan kontrol yang mengesankan dan potensi untuk penskalaan," kata Brod.

Tim memusatkan perhatian pada masalah yang disebut Pengambilan sampel gaussian boson, tolok ukur untuk mengevaluasi kecakapan komputasi kuantum. Tes, meskipun sangat sulit secara komputasi, tidak berdampak banyak pada masalah dunia nyata. Namun, seperti catur atau Go untuk mengukur kinerja AI, ia bertindak sebagai hakim yang tidak memihak untuk memeriksa kinerja komputasi kuantum. Ini semacam "standar emas": "Sampling gaussian boson adalah skema yang dirancang untuk menunjukkan keunggulan perangkat kuantum dibandingkan komputer klasik," jelas Brod.

Pengaturannya seperti tenda cermin funhouse karnaval di film horor. Keadaan khusus cahaya (dan foton)—secara lucu disebut “negara terjepit”— disalurkan ke chip yang disematkan dengan jaringan beam splitter. Setiap beam splitter bertindak seperti cermin semi-reflektif: tergantung pada bagaimana cahaya mengenainya, ia terbagi menjadi beberapa anak perempuan, dengan beberapa memantulkan kembali dan yang lainnya melewati. Pada akhir alat adalah array detektor foton. Semakin banyak beam splitter, semakin sulit untuk menghitung bagaimana setiap foton individu akan berakhir pada detektor tertentu.

Sebagai visualisasi lain: gambarkan mesin kacang, papan bertabur pasak yang terbungkus kaca. Untuk bermain, Anda menjatuhkan keping ke pasak di bagian atas. Saat keping jatuh, secara acak mengenai pasak yang berbeda, akhirnya mendarat di slot bernomor.

Pengambilan sampel boson Gaussian menggantikan puck dengan foton, dengan tujuan mendeteksi foton mana yang mendarat di slot detektor mana. Karena sifat kuantum, kemungkinan distribusi yang dihasilkan tumbuh secara eksponensial, dengan cepat melampaui kekuatan superkomputer mana pun. Ini adalah tolok ukur yang sangat baik, jelas Brod, sebagian besar karena kami memahami fisika yang mendasarinya, dan pengaturannya menunjukkan bahwa bahkan beberapa ratus foton dapat menantang superkomputer.

Mengambil tantangan, studi baru ini menata ulang perangkat kuantum fotonik dengan 216 qubit yang mengagumkan. Bertentangan dengan desain klasik, perangkat menghitung foton dalam bin waktu kedatangan daripada standar arah sebelumnya. Triknya adalah dengan memperkenalkan loop serat optik untuk menunda foton sehingga mereka dapat mengganggu pada titik-titik tertentu yang penting untuk perhitungan kuantum.

Tweak ini menghasilkan perangkat yang sangat ramping. Jaringan beam splitter yang biasanya besar—biasanya diperlukan untuk komunikasi foton—dapat dikurangi menjadi hanya tiga untuk mengakomodasi semua penundaan yang diperlukan agar foton dapat berinteraksi dan menghitung tugas. Desain loop, bersama dengan komponen lain, juga "dapat diprogram" karena beam splitter dapat disetel secara real time—seperti mengedit kode komputer, tetapi pada tingkat perangkat keras.

Tim juga mendapatkan pemeriksaan kewarasan standar, yang menyatakan bahwa data keluaran benar.

Untuk saat ini, penelitian yang andal menunjukkan supremasi kuantum masih jarang. Komputer konvensional memiliki permulaan setengah abad. Karena algoritme terus berkembang di komputer konvensional—terutama yang memanfaatkan chip canggih yang berfokus pada AI atau neuromorfik desain komputasi—mereka bahkan dapat dengan mudah mengungguli perangkat kuantum, membuat mereka berjuang untuk mengejar ketinggalan.

Tapi itulah kesenangan dari pengejaran. “Keunggulan kuantum bukanlah ambang batas yang ditentukan dengan baik, berdasarkan pada satu figur prestasi. Dan seiring dengan berkembangnya eksperimen, demikian juga teknik untuk mensimulasikannya — kita dapat mengharapkan perangkat kuantum yang memecahkan rekor dan algoritma klasik dalam waktu dekat untuk bergantian menantang satu sama lain untuk posisi teratas, ”kata Brod.

"Ini mungkin bukan akhir dari cerita," lanjutnya. Tetapi studi baru "merupakan lompatan maju untuk fisika kuantum dalam perlombaan ini."

Gambar Kredit: geralt / 24493 gambar

Stempel Waktu:

Lebih dari Hub Singularity