לשבב קוונטי לוקח מיקרו-שניות לבצע משימה שמחשב-על יבלה 9,000 שנה על אינטליגנציה של PlatoBlockchain. חיפוש אנכי. איי.

לשבב קוונטי לוקח מיקרו-שניות לבצע משימה שמחשב-על היה מבלה עליו 9,000 שנה

חותמת זמן: 7 ביוני 2022 10:00
יתרון קוונטי פוטונים מחשוב מבוסס אור

האם מחשבים קוונטיים מופרזים?

מחקר חדש in טבע אומר לא. מכשיר קוונטי מעוצב בחוכמה שפותח על ידי Xanadu, חברה שבסיסה בטורונטו, קנדה, הכחיד מחשבים קונבנציונליים במשימה שאחרת הייתה לוקחת למעלה מ-9,000 שנים.

עבור השבב הקוונטי Borealis, התשובות הגיעו תוך 36 מיקרושניות.

ההישג של Xanadu הוא האחרון להדגים את כוחו של הקוונטים מחשוב על פני מחשבים רגילים - רעיון פשוט לכאורה המכונה יתרון קוונטי.

תיאורטית, הרעיון הגיוני. בניגוד למחשבים קונבנציונליים, שמחשבים ברצף באמצעות סיביות בינאריות - 0 או 1 - מכשירים קוונטיים נוגעים למוזרות של העולם הקוונטי, שבו 0 ו-1 יכולים להתקיים בו-זמנית בהסתברויות שונות. הנתונים מעובדים בקיוביטים, יחידה לא מחויבת המבצעת בו זמנית מספר חישובים הודות לפיזיקה הייחודית.

תִרגוּם? מחשב קוונטי הוא כמו ריבוי משימות יעיל במיוחד, בעוד שמחשבים קונבנציונליים הם הרבה יותר ליניאריים. כאשר ניתנת לאותה בעיה, מחשב קוונטי אמור להיות מסוגל להפסיק כל בעיה מחשב העל בכל בעיה מבחינת מהירות ויעילות. הרעיון, שזכה לכינוי "עליונות קוונטית", היה הכוח המניע לדחוף דור חדש של מחשבים זר לחלוטין לכל מה שנעשה בעבר.

הבעיה? הוכחת עליונות קוונטית היא קשה ביותר. ככל שמכשירים קוונטיים עוזבים יותר ויותר את המעבדה כדי לפתור עוד בעיות בעולם האמיתי, מדענים מאמצים רף ביניים: יתרון קוונטי, שהוא הרעיון שמחשב קוונטי יכול לנצח מחשב קונבנציונלי במשימה אחת בלבד - כל משימה.

חזרה בשנת 2019, גוגל שבר את האינטרנט מציג את הדוגמה הראשונה של מחשב קוונטי, Sycamore, הפותר בעיה חישובית תוך 200 שניות בלבד עם 54 קיוביטים - בהשוואה להערכת מחשב-על רגיל של 10,000 שנים. קבוצה סינית עד מהרה הגיעה מופע מרתק שני של יתרון חישובי קוונטי, כשהמכונה יורקת תשובות שייקחו למחשב-על יותר משני מיליארד שנה.

עם זאת נותרה שאלה מכרעת: האם כל אחד מהמכשירים הקוונטיים הללו קרוב אפילו להיות מוכן לשימוש מעשי?

עיצוב מחדש דרסטי

קל לשכוח שמחשבים מסתמכים על פיזיקה. המערכת הנוכחית שלנו, למשל, משתלבת אלקטרונים ומעוצב בחוכמה צ 'יפס לבצע את תפקידיהם. מחשבים קוונטיים דומים, אבל הם מסתמכים על פיזיקת חלקיקים חלופית. הדורות הראשונים של מכונות קוונטים נראו כמו נברשות עדינות ומנצנצות. למרות שהם מדהימים לחלוטין, בהשוואה לשבב סמארטפון קומפקטי, הם גם לגמרי לא מעשיים. החומרה דורשת לעתים קרובות אקלים בשליטה הדוקה - למשל, כמעט טמפרטורת אפס מוחלטת - כדי להפחית הפרעות ולהגביר את יעילות המחשב.

תפיסת הליבה של מחשוב קוונטי זהה: קיוביטים מעבדים נתונים בסופרפוזיציה, מוזרות בפיזיקה קוונטית המאפשרת להם לקודד 0, 1 או שניהם בו-זמנית. החומרה התומכת ברעיון שונה מאוד.

השקמה של גוגל, למשל, משתמשת בלולאות מתכת מוליכות-על - מערך פופולרי בקרב ענקיות טכנולוגיה אחרות כולל IBM, שהציגה את Eagle, מכשיר רב עוצמה שבב קוונטי של 127 קיוביטים בשנת 2021 זה בערך בגודל של רבע. איטרציות אחרות מחברות כגון Honeywell ו-IonQ נקטו בגישה אחרת, כשהם מקישים על יונים - אטומים עם אלקטרונים אחד או יותר הוסרו - כמקור העיקרי שלהם למחשוב קוונטי.

רעיון אחר מסתמך על פוטונים, או חלקיקי אור. זה כבר הוכח שימושי: ההדגמה הסינית של היתרון הקוונטי, למשל, השתמשה במכשיר פוטוני. אבל הרעיון נמנע גם כסתם קפיצה לקראת מחשוב קוונטי ולא פתרון מעשי, בעיקר בגלל קשיים בהנדסה ובהתקנה.

מהפכה פוטונית

הצוות של קסאנאדו הוכיח שהלא אומרים טועים. השבב החדש, Borealis, דומה מעט לזה שבמחקר הסיני בכך שהוא משתמש בפוטונים - במקום בחומרים מוליכים או יונים - לצורך חישוב.

אבל יש לזה יתרון עצום: זה ניתן לתכנות. "ניסויים קודמים הסתמכו בדרך כלל על רשתות סטטיות, שבהן כל רכיב מקובע לאחר שיוצרו," מוסבר ד"ר דניאל ג'וסט ברוד מאוניברסיטת פלומיננס הפדרלית בריו דה ז'ניירו בברזיל, שלא היה מעורב במחקר. הדגמת היתרון הקוונטי המוקדמת יותר במחקר הסיני השתמשה בשבב סטטי. עם זאת, עם Borealis, האלמנטים האופטיים "ניתן לתכנת בקלות", מה שהופך אותו לפחות מכשיר חד פעמי ויותר למחשב אמיתי שיכול לפתור בעיות מרובות. (מגרש המשחקים הקוונטי הוא זמין בענן לכל אחד להתנסות ולחקור לאחר שנרשמת.)

הגמישות של השבב מגיעה מעדכון עיצובי גאוני, "תכנית חדשנית [שמציעה שליטה מרשימה ופוטנציאל לשינוי קנה מידה", אמר ברוד.

הצוות איפס על בעיה שנקראה דגימת בוזון גאוס, אמת מידה להערכת יכולת המחשוב הקוונטי. למבחן, למרות שקשה במיוחד מבחינה חישובית, אין השפעה רבה על בעיות בעולם האמיתי. עם זאת, כמו שחמט או Go למדידת ביצועי בינה מלאכותית, הוא פועל כשופט חסר פניות לבחינת ביצועי מחשוב קוונטי. זה סוג של "תקן זהב": "דגימת בוזון גאוס היא תוכנית שנועדה להדגים את היתרונות של התקנים קוונטיים על פני מחשבים קלאסיים", הסביר ברוד.

ההתקנה היא כמו אוהל מראה קרנבל כיף בסרט אימה. מצבים מיוחדים של אור (ופוטונים) - הנקראים באופן משעשע "מדינות סחוטות"- מועברים על גבי השבב המוטבע ברשת של מפצלי אלומה. כל מפצל קרן פועל כמו מראה חצי רפלקטיבית: בהתאם לאופן בו האור פוגע, הוא מתפצל למספר בנות, כאשר חלקן מחזירות לאחור ואחרות עוברות דרכה. בקצה המתקן יש מערך של גלאי פוטון. ככל שיותר מפצלי אלומה, כך קשה יותר לחשב כיצד כל פוטון בודד יגיע לכל גלאי נתון.

כהדמיה נוספת: דמיין מכונת שעועית, לוח משובץ יתדות עטוף בזכוכית. כדי לשחק, אתה מפיל פאק לתוך היתדות בחלק העליון. כשהדיסק נופל, הוא פוגע באקראי ביתדות שונות, ובסופו של דבר נוחת בחריץ ממוספר.

דגימת בוזון גאוס מחליפה את הפאקים בפוטונים, במטרה לזהות איזה פוטון נוחת באיזה חריץ גלאי. בשל תכונות קוונטיות, ההפצות האפשריות שנוצרו גדלות באופן אקספוננציאלי, ועוברות במהירות על כל כוחות מחשב העל. זהו אמת מידה מצוינת, הסביר ברוד, בעיקר משום שאנו מבינים את הפיזיקה הבסיסית, וההגדרה מציעה שאפילו כמה מאות פוטונים יכולים לאתגר את מחשבי העל.

בעקבות האתגר, המחקר החדש דמיין מחדש מכשיר קוונטי פוטוני עם 216 קיוביטים ראויים להערצה. בניגוד לעיצובים קלאסיים, המכשיר חישב פוטונים בפחי זמן הגעה ולא בסטנדרט הכיוון הקודם. החוכמה הייתה להכניס לולאות של סיבים אופטיים כדי לעכב פוטונים כדי שיוכלו להפריע בנקודות ספציפיות החשובות לחישוב קוונטי.

שינויים אלה הובילו למכשיר שהצטמצם מאוד. ניתן לצמצם את הרשת הגדולה הרגילה של מפצלי אלומה - הנחוצה בדרך כלל לתקשורת פוטון - לשלושה בלבד כדי להכיל את כל ההשהיות הנדרשות לפוטונים לאינטראקציה ולחשב את המשימה. עיצובי הלולאה, יחד עם רכיבים אחרים, הם גם "ניתנים לתכנות בקלות" בכך שניתן לכוונן מפצל אלומה בזמן אמת - כמו עריכת קוד מחשב, אבל ברמת החומרה.

הצוות גם ביצע בדיקת שפיות סטנדרטית, שאישר שנתוני הפלט נכונים.

לעת עתה, מחקרים המראים באופן מהימן עליונות קוונטית נותרו נדירים. למחשבים קונבנציונליים יש התחלה של חצי מאה. ככל שהאלגוריתמים ממשיכים להתפתח במחשבים קונבנציונליים - במיוחד אלה שמנצלים שבבים רבי עוצמה ממוקדי בינה מלאכותית או נוירומורפי עיצובי מחשוב - הם עשויים אפילו לגבור על התקנים קוונטיים, ולהשאיר אותם מתקשים להדביק את הפער.

אבל זה הכיף של המרדף. "יתרון קוונטי אינו סף מוגדר היטב, המבוסס על נתון אחד של הכשרון. וככל שהניסויים יתפתחו, כך גם יתפתחו טכניקות לדמות אותם - אנו יכולים לצפות שמכשירי קוונטים ואלגוריתמים קלאסיים קובעים שיאים בעתיד הקרוב יתחלפו לאתגר זה את זה על המקום הראשון", אמר ברוד.

"אולי זה לא סוף הסיפור", המשיך. אבל המחקר החדש "הוא קפיצת מדרגה לפיזיקה הקוונטית במירוץ הזה."

תמונת אשראי: geralt / 24493 תמונות

בול זמן:

עוד מ רכזת הסינגולריות