Introductie
In welke specifieke gevallen overtreffen kwantumcomputers hun klassieke tegenhangers? Dat is een moeilijke vraag om te beantwoorden, deels omdat de kwantumcomputers van vandaag kieskeurige dingen zijn, geplaagd door fouten die zich kunnen opstapelen en hun berekeningen kunnen verpesten.
Met รฉรฉn maatstaf hebben ze het natuurlijk al gedaan. In 2019, natuurkundigen bij Google aangekondigd dat ze een machine van 53 qubit gebruikten om dit te bereiken kwantum suprematie, een symbolische mijlpaal die het punt markeert waarop een kwantumcomputer iets doet dat buiten het bereik ligt van elk praktisch klassiek algoritme. Gelijk demonstraties door natuurkundigen aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China volgde al snel.
Maar in plaats van zich te concentreren op een experimenteel resultaat voor รฉรฉn bepaalde machine, willen computerwetenschappers weten of klassieke algoritmen het kunnen bijhouden naarmate kwantumcomputers groter en groter worden. "De hoop is dat uiteindelijk de kwantumkant gewoon volledig wegtrekt totdat er geen concurrentie meer is", zei hij Scott Aaronson, een computerwetenschapper aan de Universiteit van Texas, Austin.
Die algemene vraag is nog steeds moeilijk te beantwoorden, mede door die vervelende fouten. (Toekomstige kwantummachines zullen hun onvolkomenheden compenseren met behulp van een techniek genaamd kwantumfoutcorrectie, maar die mogelijkheid is nog steeds ver weg.) Is het mogelijk om het gehoopte op hol geslagen kwantumvoordeel te krijgen, zelfs met niet-gecorrigeerde fouten?
De meeste onderzoekers vermoedden dat het antwoord nee was, maar ze konden het niet voor alle gevallen bewijzen. Nu, in een papier geplaatst op de preprint-server arxiv.org, heeft een team van computerwetenschappers een grote stap gezet in de richting van een alomvattend bewijs dat foutcorrectie noodzakelijk is voor een blijvend kwantumvoordeel bij willekeurige circuitbemonstering - het op maat gemaakte probleem dat Google gebruikte om kwantumsuprematie aan te tonen. Ze deden dit door een klassiek algoritme te ontwikkelen dat willekeurige circuitbemonsteringsexperimenten kan simuleren als er fouten aanwezig zijn.
"Het is een prachtig theoretisch resultaat", zei Aaronson, terwijl hij benadrukte dat het nieuwe algoritme niet praktisch bruikbaar is voor het simuleren van echte experimenten zoals die van Google.
Bij experimenten met willekeurige circuitbemonstering beginnen onderzoekers met een reeks qubits of kwantumbits. Vervolgens manipuleren ze deze qubits willekeurig met bewerkingen die kwantumpoorten worden genoemd. Sommige poorten zorgen ervoor dat paren qubits verstrengeld raken, wat betekent dat ze een kwantumtoestand delen en niet afzonderlijk kunnen worden beschreven. Herhaalde lagen van poorten brengen de qubits in een meer gecompliceerde verstrengelde toestand.
Om meer te weten te komen over die kwantumtoestand, meten onderzoekers vervolgens alle qubits in de array. Dit zorgt ervoor dat hun collectieve kwantumtoestand instort tot een willekeurige reeks gewone bits - nullen en enen. Het aantal mogelijke uitkomsten groeit snel met het aantal qubits in de array: met 0 qubits, zoals in het experiment van Google, is dat bijna 1 biljard. En niet alle strings zijn even waarschijnlijk. Sampling uit een willekeurig circuit betekent het vele malen herhalen van dergelijke metingen om een โโbeeld te krijgen van de waarschijnlijkheidsverdeling die ten grondslag ligt aan de uitkomsten.
De kwestie van kwantumvoordeel is simpelweg deze: is het moeilijk om die kansverdeling na te bootsen met een klassiek algoritme dat gebruikt geen verstrengeling?
In 2019, onderzoekers bewezen dat het antwoord ja is voor foutloze kwantumcircuits: het is inderdaad moeilijk om klassiek een willekeurig circuitbemonsteringsexperiment te simuleren als er geen fouten zijn. De onderzoekers werkten binnen het kader van de computationele complexiteitstheorie, die de relatieve moeilijkheidsgraad van verschillende problemen classificeert. Op dit gebied behandelen onderzoekers het aantal qubits niet als een vast getal zoals 53. โZie het als n, wat een aantal is dat zal toenemen, 'zei Aram Harrow, een natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology. โDan wil je vragen: doen we dingen waar de inspanning exponentieel in is n of polynoom in n?โ Dit is de voorkeursmanier om de looptijd van een algoritme te classificeren โ wanneer n groeit groot genoeg, een algoritme dat exponentieel is in n blijft ver achter bij elk algoritme dat polynoom is n. Wanneer theoretici spreken over een probleem dat moeilijk is voor klassieke computers maar gemakkelijk voor kwantumcomputers, bedoelen ze dit onderscheid: het beste klassieke algoritme kost exponentiรซle tijd, terwijl een kwantumcomputer het probleem in polynoomtijd kan oplossen.
Maar dat artikel uit 2019 negeerde de effecten van fouten veroorzaakt door onvolmaakte poorten. Dit liet het geval open van een kwantumvoordeel voor willekeurige circuitbemonstering zonder foutcorrectie.
Als je je voorstelt dat je het aantal qubits voortdurend vergroot, zoals complexiteitstheoretici doen, en je wilt ook rekening houden met fouten, dan moet je beslissen of je ook steeds meer lagen poorten gaat toevoegen - waardoor de circuitdiepte toeneemt, zoals onderzoekers zeggen. Stel dat u de circuitdiepte constant houdt op bijvoorbeeld een relatief ondiepe drie lagen, terwijl u het aantal qubits vergroot. Je zult niet veel verstrengeling krijgen en de output zal nog steeds vatbaar zijn voor klassieke simulatie. Aan de andere kant, als je de circuitdiepte vergroot om het groeiende aantal qubits bij te houden, zullen de cumulatieve effecten van poortfouten de verstrengeling uitwassen en zal de output weer gemakkelijk klassiek te simuleren zijn.
Maar daartussenin ligt een Goudlokje-zone. Vรณรณr het nieuwe artikel was het nog steeds een mogelijkheid dat kwantumvoordeel hier zou kunnen overleven, zelfs als het aantal qubits toenam. In dit geval van gemiddelde diepte vergroot u de circuitdiepte extreem langzaam naarmate het aantal qubits groeit: hoewel de uitvoer gestaag wordt verslechterd door fouten, kan het nog steeds moeilijk zijn om bij elke stap klassiek te simuleren.
Het nieuwe papier sluit deze maas in de wet. De auteurs hebben een klassiek algoritme afgeleid voor het simuleren van willekeurige circuitbemonstering en bewezen dat de looptijd ervan een polynomiale functie is van de tijd die nodig is om het overeenkomstige kwantumexperiment uit te voeren. Het resultaat smeedt een nauw theoretisch verband tussen de snelheid van klassieke en kwantumbenaderingen van willekeurige circuitbemonstering.
Het nieuwe algoritme werkt voor een grote klasse circuits met een gemiddelde diepte, maar de onderliggende aannames werken niet voor bepaalde ondiepere circuits, waardoor er een kleine kloof ontstaat waar efficiรซnte klassieke simulatiemethoden onbekend zijn. Maar weinig onderzoekers hopen dat willekeurige circuitbemonstering moeilijk klassiek te simuleren zal zijn in dit resterende dunne venster. "Ik geef het vrij kleine kansen," zei Bill Feffermann, een computerwetenschapper aan de Universiteit van Chicago en een van de auteurs van het theoriedocument van 2019.
Het resultaat suggereert dat willekeurige circuitbemonstering geen kwantumvoordeel zal opleveren volgens de strenge normen van computationele complexiteitstheorie. Tegelijkertijd illustreert het het feit dat polynomiale algoritmen, die complexiteitstheoretici klakkeloos efficiรซnt noemen, in de praktijk niet noodzakelijkerwijs snel zijn. Het nieuwe klassieke algoritme wordt steeds langzamer naarmate het foutenpercentage afneemt, en bij de lage foutenpercentages die worden bereikt in experimenten met kwantumsuprematie, is het veel te langzaam om praktisch te zijn. Zonder fouten valt het helemaal uit, dus dit resultaat is niet in tegenspraak met alles wat onderzoekers wisten over hoe moeilijk het is om willekeurige circuitbemonstering klassiek te simuleren in het ideale, foutloze geval. Sergio Boixo, de natuurkundige die het onderzoek naar kwantumsuprematie van Google leidt, zegt dat hij het artikel "meer als een mooie bevestiging van willekeurige circuitbemonstering dan iets anders beschouwt."
Over รฉรฉn punt zijn alle onderzoekers het eens: het nieuwe algoritme onderstreept hoe cruciaal kwantumfoutcorrectie zal zijn voor het langetermijnsucces van kwantumcomputing. "Dat is uiteindelijk de oplossing," zei Fefferman.
Noot van de redactie: Scott Aaronson is lid van de adviesraad van Quanta Magazine.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- Bron: https://www.quantamagazine.org/new-algorithm-closes-quantum-supremacy-window-20230109/
- 10
- 2019
- a
- in staat
- Over
- Account
- Bereiken
- bereikt
- Voordeel
- adviserend
- Raad van Advies
- algoritme
- algoritmen
- Alles
- al
- en
- beantwoorden
- benaderingen
- reeks
- auteurs
- prachtige
- omdat
- worden
- vaardigheden
- achter
- BEST
- tussen
- Verder
- groter
- boord
- Breken
- breaks
- brengen
- bouw
- berekeningen
- Bellen
- Dit betekent dat we onszelf en onze geliefden praktisch vergiftigen.
- geval
- gevallen
- Veroorzaken
- veroorzaakt
- oorzaken
- zeker
- chicago
- China
- klasse
- classificeren
- Sluit
- Lees minder
- Collective
- concurrentie
- compleet
- ingewikkeldheid
- ingewikkeld
- uitgebreid
- computer
- computers
- computergebruik
- versterken
- constante
- permanent
- Overeenkomend
- kon
- Type cursus
- cruciaal
- dag
- diepte
- Afgeleid
- beschreven
- het ontwikkelen van
- DEED
- anders
- verschillende problemen
- Moeilijkheid
- distributie
- Nee
- doen
- Dont
- beneden
- elk
- duurt
- doeltreffend
- inspanning
- genoeg
- even
- fout
- fouten
- Zelfs
- uiteindelijk
- experiment
- exponentiรซle
- uiterst
- SNELLE
- weinig
- veld-
- vast
- Focus
- gevolgd
- Achtergrond
- oppompen van
- functie
- toekomst
- kloof
- Gates
- Algemeen
- krijgen
- Geven
- gaan
- Kopen Google Reviews
- Groeiend
- Groeit
- Hard
- hier
- bezit
- hoop
- Hoe
- HTTPS
- ideaal
- in
- Laat uw omzet
- meer
- meer
- Instituut
- IT
- Houden
- blijven
- Groot
- Legkippen
- leidend
- LEARN
- verlaten
- Waarschijnlijk
- langdurig
- Laag
- machine
- Machines
- groot
- veel
- massachusetts
- Massachusetts Institute of Technology
- betekenis
- middel
- maatregel
- maten
- lid
- methoden
- macht
- mijlpaal
- MIT
- meer
- NATUUR
- bijna
- nodig
- noodzakelijk
- Noodzaak
- New
- aantal
- Kansen
- EEN
- open
- Operations
- gewoon
- Overige
- paren
- Papier
- deel
- bijzonder
- beeld
- geplaagd
- Plato
- Plato gegevensintelligentie
- PlatoData
- punt
- mogelijkheid
- mogelijk
- geplaatst
- PRAKTISCH
- bijna
- praktijk
- bij voorkeur
- presenteren
- mooi
- probleem
- problemen
- progressief
- bewijs
- Bewijzen
- bewezen
- Truien
- Quanta tijdschrift
- Quantum
- kwantumvoordeel
- Quantumcomputer
- quantum computers
- quantum computing
- kwantumfoutcorrectie
- Kwantum suprematie
- qubits
- vraag
- willekeurige
- snel
- tarief
- Tarieven
- bereiken
- vast
- betreft de
- relatief
- resterende
- herhaald
- nodig
- onderzoek
- onderzoekers
- resultaat
- streng
- lopen
- Zei
- dezelfde
- Wetenschap
- Wetenschap en Technologie
- Wetenschapper
- wetenschappers
- Scott Aaronson
- ondiep
- Delen
- tonen
- kant
- eenvoudigweg
- simulatie
- traag
- Langzaam
- Klein
- So
- oplossing
- OPLOSSEN
- sommige
- iets
- spreken
- specifiek
- snelheid
- normen
- begin
- Land
- Stap voor
- Still
- succes
- dergelijk
- Stelt voor
- overtreffen
- te overleven
- neemt
- team
- Technologie
- Texas
- De
- hun
- theoretisch
- spullen
- drie
- niet de tijd of
- keer
- naar
- vandaag
- ook
- in de richting van
- behandelen
- die ten grondslag liggen
- universiteit-
- University of Chicago
- Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China
- .
- manieren
- webp
- Wat
- of
- welke
- en
- wil
- binnen
- zonder
- werkte
- Bedrijven
- Opbrengst
- You
- zephyrnet