127-kubitowy procesor IBM wykazuje przewagę kwantową bez korekcji błędów – Physics World

Międzynarodowy zespół naukowców wykorzystał 127-kubitowy procesor kwantowy do obliczenia właściwości magnetycznych modelowego materiału 2D. Odkryli, że ich komputer kwantowy IBM może wykonać obliczenia, których konwencjonalny komputer po prostu nie jest w stanie zrobić, pokazując w ten sposób, że ich procesor oferuje przewagę kwantową nad dzisiejszymi systemami – przynajmniej w tym konkretnym zastosowaniu. Co więcej, wynik został osiągnięty bez konieczności kwantowej korekcji błędów.

Komputery kwantowe przyszłości mogą rozwiązać niektóre złożone problemy, które przekraczają możliwości nawet najpotężniejszych komputerów konwencjonalnych – osiągnięcie to nazywane jest przewagą kwantową. Fizycy uważają, że przyszłe urządzenia musiałyby połączyć około miliona bitów kwantowych (kubitów), aby uzyskać tę przewagę. Dziś jednak największy procesor kwantowy zawiera mniej niż 1000 kubitów.

Ważnym wyzwaniem w korzystaniu z komputerów kwantowych jest to, że dzisiejsze kubity są bardzo podatne na błędy, które mogą szybko zniszczyć obliczenia kwantowe. Techniki kwantowej korekcji błędów (QEC) mogą być stosowane do radzenia sobie z szumem w technice zwanej odpornym na uszkodzenia komputerem kwantowym. Wiąże się to z użyciem dużej liczby kubitów w celu utworzenia jednego „kubitu logicznego”, który jest znacznie mniej podatny na błędy. W rezultacie do wykonywania obliczeń potrzeba dużo sprzętu, a niektórzy eksperci uważają, że potrzeba wielu lat rozwoju, zanim możliwe będzie powszechne zastosowanie tej techniki.

Teraz jednak zespół kierowany przez naukowców z IBM wykazał, że przewagę kwantową można osiągnąć bez konieczności stosowania QEC. Zespół wykorzystał 127-kubitowy procesor kwantowy do obliczenia namagnesowania materiału za pomocą modelu 2D Isinga. Ten model przedstawia właściwości magnetyczne materiału 2D za pomocą sieci spinów kwantowych, które oddziałują z najbliższymi sąsiadami. Pomimo tego, że jest bardzo prosty, model jest niezwykle trudny do rozwiązania.

Anulowanie hałasu

Naukowcy zastosowali podejście zwane „hałaśliwymi obliczeniami kwantowymi w średniej skali”, które było już wykorzystywane do wykonywania niektórych obliczeń chemicznych. Jest to wyścig z czasem, w którym obliczenia przebiegają szybko, aby uniknąć nagromadzenia błędów. Zamiast tworzyć uniwersalny procesor kwantowy, naukowcy zakodowali model Isinga bezpośrednio w samych kubitach. Zrobili to, aby wykorzystać podobieństwa w mechanice kwantowej natury kubitów i symulowanego modelu – co doprowadziło do znaczącego wyniku bez użycia QEC.

Aby wykonać obliczenia, zespół IBM użył nadprzewodzącego procesora kwantowego, który składa się ze 127 kubitów. Układ obsługuje obwody kwantowe o głębokości 60 warstw z łącznie około 2800 dwukubitowymi bramkami, które są kwantowym analogiem konwencjonalnych bramek logicznych. Obwód kwantowy generuje duże i wysoce splątane stany kwantowe, które zostały użyte do zaprogramowania modelu 2D Isinga. Odbywa się to poprzez wykonanie sekwencji operacji na kubitach i parach kubitów. Pomiary wysokiej jakości były możliwe dzięki długim czasom koherencji kubitów oraz ponieważ wszystkie dwukubitowe bramki zostały skalibrowane, aby umożliwić optymalną jednoczesną pracę.

Łagodzenie, nie korekta

Metody te usuwają dużą część szumu, ale błędy nadal stanowią ważny problem. Aby temu zaradzić, zespół IBM zastosował proces łagodzenia błędów kwantowych przy użyciu konwencjonalnego komputera. Jest to technika przetwarzania końcowego, która wykorzystuje oprogramowanie do kompensacji szumów, umożliwiając w ten sposób prawidłowe obliczenie namagnesowania.

Przełom w kwantowej korekcji błędów może doprowadzić do powstania komputerów kwantowych na dużą skalę

Obliczenia kwantowe zespołu wykazały wyraźną przewagę nad konwencjonalnymi komputerami, ale ta przewaga nie jest całkowicie związana z szybkością obliczeniową. Zamiast tego wynika to ze zdolności 127-kubitowego procesora do kodowania dużej liczby konfiguracji modelu Isinga – coś, do czego komputery nie miałyby wystarczającej ilości pamięci.

IBM Krystian Temme, który jest współautorem m.in Natura papier który opisuje tę pracę, uważa, że ​​badania są decydującym krokiem w kierunku wdrożenia bardziej ogólnych krótkoterminowych algorytmów kwantowych, zanim dostępne będą odporne na uszkodzenia komputery kwantowe. Mówi, że zespół wykazał, że możliwe jest uzyskanie dokładnych wartości oczekiwanych modelu systemu z obwodów, które są ograniczone jedynie czasem koherencji sprzętu. Nazywa ich metodę łagodzenia błędów kwantowych „niezbędnym składnikiem” takich zastosowań w najbliższej przyszłości. „Jesteśmy bardzo chętni do wykorzystania tego nowego narzędzia i zbadania, który z wielu proponowanych krótkoterminowych algorytmów kwantowych będzie w stanie zapewnić przewagę nad obecnymi klasycznymi metodami w praktyce”, mówi Świat Fizyki.

Johna Preskilla z California Institute of Technology w USA, który nie brał udziału w tych badaniach, mówi, że jest „pod wrażeniem” jakości działania urządzenia, co uważa za najważniejsze osiągnięcie zespołu. Dodaje, że wyniki wzmacniają dowody na to, że komputery kwantowe w bliskiej przyszłości mogą być wykorzystywane jako instrumenty do eksploracji i odkrywania fizyki.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/ibms-127-qubit-processor-shows-quantum-advantage-without-error-correction/