Quantum Chip zajmuje mikrosekundy, aby wykonać zadanie, które superkomputer spędziłby 9,000 lat

Czy komputery kwantowe są przereklamowane?

Nowe badania in Natura mówi nie. Sprytnie zaprojektowane urządzenie kwantowe opracowane przez Xanadu, firmę z Toronto w Kanadzie, zniszczyło konwencjonalne komputery w zadaniu, które w innym przypadku zajęłoby ponad 9,000 lat.

W przypadku układu kwantowego Borealis odpowiedzi nadeszły w ciągu 36 mikrotowary drugiej jakości.

Osiągnięcie Xanadu jest najnowszym przykładem potęgi kwantowej computing nad konwencjonalnymi komputerami — pozornie prosty pomysł nazwany przewagą kwantową.

Teoretycznie koncepcja ma sens. W przeciwieństwie do konwencjonalnych komputerów, które obliczają sekwencyjnie za pomocą bitów binarnych — 0 lub 1 — urządzenia kwantowe wykorzystują dziwaczność świata kwantowego, w którym 0 i 1 mogą istnieć w tym samym czasie z różnym prawdopodobieństwem. Dane są przetwarzane w kubitach, niezobowiązującej jednostce, która dzięki swojej unikalnej fizyce jednocześnie wykonuje wiele obliczeń.

Tłumaczenie? Komputer kwantowy jest jak superwydajny wielozadaniowy komputer, podczas gdy konwencjonalne komputery są znacznie bardziej liniowe. W przypadku tego samego problemu komputer kwantowy powinien być w stanie pokonać każdy Superkomputer w każdym problemie pod względem szybkości i wydajności. Pomysł, nazwany „wyższością kwantową”, był siłą napędową forsowania nowej generacji komputerów całkowicie obcych w stosunku do wszystkiego, co wcześniej wyprodukowano.

Problem? Udowodnienie supremacji kwantowej jest niezwykle trudne. Ponieważ urządzenia kwantowe coraz częściej opuszczają laboratorium, aby rozwiązywać bardziej rzeczywiste problemy, naukowcy przyjmują pośredni punkt odniesienia: przewagę kwantową, która polega na tym, że komputer kwantowy może pokonać konwencjonalny komputer w jednym tylko zadaniu — dowolnym zadaniu.

W 2019 roku Google zepsuł internet pokazując pierwszy przykład komputera kwantowego, Sycamore, rozwiązującego problem obliczeniowy w zaledwie 200 sekund za pomocą 54 kubitów — w porównaniu z oszacowaniem konwencjonalnego superkomputera na 10,000 XNUMX lat. Chińska drużyna wkrótce nastąpiła druga fascynująca prezentacja kwantowej przewagi obliczeniowej, w której maszyna wypluwała odpowiedzi, które zajęłyby superkomputerowi ponad dwa miliardy lat.

Pozostaje jednak kluczowe pytanie: czy któreś z tych urządzeń kwantowych jest nawet bliskie gotowości do praktycznego użycia?

Drastyczny przeprojektowanie

Łatwo zapomnieć, że komputery opierają się na fizyce. Na przykład nasz obecny system wykorzystuje elektrony i sprytnie zaprojektowane frytki do wykonywania swoich funkcji. Komputery kwantowe są podobne, ale opierają się na alternatywnej fizyce cząstek. Pierwsze generacje maszyn kwantowych wyglądały jak delikatne, połyskujące żyrandole. Chociaż są absolutnie wspaniałe, w porównaniu z kompaktowym chipem smartfona, są również całkowicie niepraktyczne. Sprzęt często wymaga ściśle kontrolowanych warunków klimatycznych — na przykład temperatury bliskiej zeru absolutnego — w celu zmniejszenia zakłóceń i zwiększenia wydajności komputera.

Podstawowa koncepcja obliczeń kwantowych jest taka sama: kubity przetwarzające dane w superpozycji, dziwactwo fizyki kwantowej, które pozwala im kodować zera, jedynki lub oba jednocześnie. Sprzęt, który wspiera tę ideę, znacznie się różni.

Na przykład Sycamore firmy Google wykorzystuje nadprzewodnikowe metalowe pętle — układ popularny wśród innych gigantów technologicznych, w tym IBM, który wprowadził Eagle, potężny 127-kubitowy układ kwantowy w 2021 roku to mniej więcej jedna czwarta. Inne iteracje firm takich jak Honeywell a IonQ przyjął inne podejście, wykorzystując jony – atomy z usuniętym jednym lub większą liczbą elektronów – jako główne źródło obliczeń kwantowych.

Inny pomysł opiera się na fotonach, czyli cząsteczkach światła. Okazało się to już przydatne: na przykład chińska demonstracja przewagi kwantowej wykorzystywała urządzenie fotoniczne. Ale pomysł jest również odrzucany jako zwykły krok w kierunku obliczeń kwantowych, a nie jako praktyczne rozwiązanie, głównie z powodu trudności w inżynierii i konfiguracji.

Fotoniczna rewolucja

Zespół Xanadu udowodnił, że pesymiści się mylili. Nowy chip, Borealis, jest nieznacznie podobny do tego w chińskim badaniu, ponieważ wykorzystuje do obliczeń fotony – zamiast materiałów nadprzewodzących lub jonów.

Ale ma ogromną zaletę: jest programowalny. „Poprzednie eksperymenty zwykle opierały się na sieciach statycznych, w których każdy element jest naprawiany po wyprodukowaniu” wyjaśnione Dr Daniel Jost Brod z Federalnego Uniwersytetu Fluminense w Rio de Janeiro w Brazylii, który nie był zaangażowany w badanie. Wcześniejsza demonstracja przewagi kwantowej w chińskim badaniu wykorzystywała układ statyczny. Jednak w przypadku Borealis elementy optyczne „można łatwo zaprogramować”, co czyni go mniej urządzeniem jednorazowego użytku, a bardziej rzeczywistym komputerem potencjalnie zdolnym do rozwiązywania wielu problemów. (Kwandowy plac zabaw to dostępne w chmurze aby każdy mógł eksperymentować i odkrywać po zarejestrowaniu się).

Elastyczność chipa wynika z genialnej aktualizacji projektu, „innowacyjnego schematu [który] oferuje imponującą kontrolę i potencjał skalowania”, powiedział Brod.

Zespół skupił się na problemie zwanym Próbkowanie bozonów Gaussa, wzorzec oceny wydajności obliczeń kwantowych. Test, choć niezwykle trudny pod względem obliczeniowym, nie ma dużego wpływu na problemy w świecie rzeczywistym. Jednak, podobnie jak szachy lub Go do pomiaru wydajności AI, działa jako bezstronny sędzia badający wydajność obliczeń kwantowych. Jest to swego rodzaju „złoty standard”: „Gaussowskie próbkowanie bozonów to schemat mający na celu zademonstrowanie zalet urządzeń kwantowych nad klasycznymi komputerami” – wyjaśnił Brod.

Konfiguracja przypomina karnawałowy namiot z lustrem w horrorze. Specjalne stany światła (i fotonów) – zabawnie nazywane „stany ściśnięte”—są tunelowane na chipie osadzonym w sieci dzielników wiązki. Każdy rozdzielacz wiązki działa jak lustro półodblaskowe: w zależności od tego, jak pada światło, dzieli się na wiele córek, z których niektóre odbijają się, a inne przechodzą. Na końcu urządzenia znajduje się szereg detektorów fotonów. Im więcej dzielników wiązki, tym trudniej obliczyć, w jaki sposób pojedynczy foton trafi do danego detektora.

Jako kolejna wizualizacja: wyobraź sobie maszynę do fasoli, deskę z kołkami w szkle. Aby zagrać, wrzucasz krążek do kołków na górze. Gdy krążek spada, losowo uderza w różne kołki, ostatecznie lądując w ponumerowanym gnieździe.

Próbkowanie bozonów Gaussa zastępuje krążki fotonami w celu wykrycia, który foton ląduje w którym gnieździe detektora. Ze względu na właściwości kwantowe możliwe rozkłady wynikowe rosną wykładniczo, szybko wyprzedzając wszelkie moce superkomputerów. To doskonały test porównawczy, wyjaśnił Brod, głównie dlatego, że rozumiemy podstawową fizykę, a konfiguracja sugeruje, że nawet kilkaset fotonów może rzucić wyzwanie superkomputerom.

Podejmując wyzwanie, w ramach nowych badań odtworzono fotoniczne urządzenie kwantowe z godnymi podziwu 216 kubitami. W przeciwieństwie do klasycznych konstrukcji, urządzenie obliczało fotony w przedziałach czasu przybycia, a nie według poprzedniego standardu kierunku. Sztuczka polegała na wprowadzeniu pętli światłowodów, które opóźniają fotony, aby mogły interferować w określonych punktach ważnych dla obliczeń kwantowych.

Te poprawki doprowadziły do ​​znacznie odchudzonego urządzenia. Zwykłą dużą sieć dzielników wiązki — zwykle potrzebną do komunikacji fotonów — można zredukować do zaledwie trzech, aby uwzględnić wszystkie niezbędne opóźnienia dla interakcji fotonów i obliczenia zadania. Projekty pętli, wraz z innymi komponentami, są również „łatwo programowalne”, ponieważ dzielnik wiązki można dostroić w czasie rzeczywistym — podobnie jak edycja kodu komputerowego, ale na poziomie sprzętowym.

Zespół przeszedł również standardową kontrolę poprawności, poświadczając, że dane wyjściowe były prawidłowe.

Na razie badania, które rzetelnie wykazują supremację kwantową, pozostają rzadkością. Konwencjonalne komputery mają przewagę pół wieku. Ponieważ algorytmy wciąż ewoluują na konwencjonalnych komputerach — zwłaszcza tych, które wykorzystują potężne chipy zorientowane na sztuczną inteligencję lub neuromorficzny projekty komputerowe — mogą nawet z łatwością przewyższyć urządzenia kwantowe, co sprawia, że ​​mają problemy z nadrobieniem zaległości.

Ale to jest zabawa pościgu. „Przewaga kwantowa nie jest dobrze zdefiniowanym progiem, opartym na pojedynczej wartości merytorycznej. Wraz z rozwojem eksperymentów, tak samo będzie z technikami ich symulacji — możemy się spodziewać, że w niedalekiej przyszłości urządzenia kwantowe i klasyczne algorytmy będą na zmianę rzucać sobie wyzwania o najwyższe miejsce — powiedział Brod.

„To może nie być koniec historii” – kontynuował. Ale nowe badanie „jest krokiem naprzód dla fizyki kwantowej w tym wyścigu”.

Kredytowych Image: joanna / 24493 zdjęć

• Coinsmart. Najlepsza w Europie giełda bitcoinów i kryptowalut.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. DARMOWY DOSTĘP.
• CryptoJastrząb. Radar Altcoin. Bezpłatna wersja próbna.
• Źródło: https://singularityhub.com/2022/06/07/a-photonic-quantum-device-took-microseconds-to-do-a-task-a-conventional-computer-would-spend-9000-years- na/