Cipul cuantic are nevoie de microsecunde pentru a îndeplini o sarcină pe care un supercomputer ar petrece 9,000 de ani pe PlatoBlockchain Data Intelligence. Căutare verticală. Ai.

Cipul cuantic are nevoie de microsecunde pentru a îndeplini o sarcină pe care un supercomputer ar petrece 9,000 de ani

Marca temporală: 7 iunie 2022 10:00
Avantaj cuantic fotonii calcul bazat pe lumină

Sunt computerele cuantice supraevaluate?

Un nou studiu in Natură spune nu. Un dispozitiv cuantic proiectat inteligent, dezvoltat de Xanadu, o companie cu sediul în Toronto, Canada, a eliminat computerele convenționale într-o sarcină de referință care altfel ar dura peste 9,000 de ani.

Pentru cipul cuantic Borealis, răspunsurile au venit în 36 microsecunde.

Realizarea lui Xanadu este cea mai recentă care a demonstrat puterea cuantică tehnica de calcul față de computerele convenționale — o idee aparent simplă numită avantaj cuantic.

Teoretic, conceptul are sens. Spre deosebire de computerele convenționale, care calculează în secvență folosind biți binari – 0 sau 1 – dispozitivele cuantice exploatează ciudățenia lumii cuantice, unde 0 și 1 pot exista ambele în același timp cu probabilități diferite. Datele sunt procesate în qubiți, o unitate neangajată care realizează simultan mai multe calcule datorită fizicii sale unice.

Traducere? Un computer cuantic este ca un multitasker hiper-eficient, în timp ce computerele convenționale sunt mult mai liniare. Când i se pune aceeași problemă, un computer cuantic ar trebui să poată depăși orice supercomputer în orice problemă din punct de vedere al vitezei și eficienței. Ideea, numită „supremația cuantică”, a fost forța motrice pentru a promova o nouă generație de computere complet străine de orice făcut anterior.

Problema? Demonstrarea supremației cuantice este extrem de dificilă. Pe măsură ce dispozitivele cuantice părăsesc din ce în ce mai mult laboratorul pentru a rezolva mai multe probleme din lumea reală, oamenii de știință adoptă un punct de referință intermediar: avantajul cuantic, care este ideea că un computer cuantic poate depăși unul convențional la o singură sarcină - orice sarcină.

În 2019, Google a spart internetul prezentând primul exemplu de computer cuantic, Sycamore, care rezolvă o problemă de calcul în doar 200 de secunde cu 54 de qubiți – în comparație cu estimarea unui supercomputer convențional de 10,000 de ani. O echipă chineză A urmat curând o a doua vitrină fascinantă a avantajului computațional cuantic, cu mașina scuipând răspunsuri care ar dura un supercomputer peste două miliarde de ani.

Cu toate acestea, rămâne o întrebare crucială: este vreunul dintre aceste dispozitive cuantice chiar aproape de a fi gata pentru utilizare practică?

O reproiectare drastică

Este ușor să uiți că computerele se bazează pe fizică. Sistemul nostru actual, de exemplu, accesează electroni și proiectat inteligent chipsuri pentru a-și îndeplini funcțiile. Calculatoarele cuantice sunt similare, dar se bazează pe fizica alternativă a particulelor. Generațiile inițiale de mașini cuantice păreau niște candelabre delicate și strălucitoare. Deși sunt absolut superbe, în comparație cu un cip de smartphone compact, sunt, de asemenea, complet nepractice. Hardware-ul necesită adesea climate strict controlate - de exemplu, o temperatură aproape de zero absolut - pentru a reduce interferența și pentru a crește eficacitatea computerului.

Conceptul de bază al calculului cuantic este același: qubiții prelucrează date în suprapunere, o ciudatenie a fizicii cuantice care le permite să codifice 0, 1 sau ambele în același timp. Hardware-ul care susține ideea diferă foarte mult.

Sycamore de la Google, de exemplu, folosește bucle metalice supraconductoare — o configurație populară cu alți giganți tehnologici, inclusiv IBM, care a introdus Eagle, un puternic Cip cuantic de 127 de qubiți în 2021 este cam cât un sfert. Alte iterații de la companii precum Honeywell iar IonQ a adoptat o abordare diferită, utilizând ionii - atomi cu unul sau mai mulți electroni îndepărtați - ca sursă principală pentru calculul cuantic.

O altă idee se bazează pe fotoni sau particule de lumină. S-a dovedit deja util: demonstrația chineză a avantajului cuantic, de exemplu, a folosit un dispozitiv fotonic. Dar ideea a fost, de asemenea, ocolită ca o simplă piatră de temelie spre calculul cuantic, mai degrabă decât o soluție practică, în mare parte din cauza dificultăților de inginerie și configurare.

O revoluție fotonică

Echipa lui Xanadu le-a dovedit că cei dezamăgitori au greșit. Noul cip, Borealis, este puțin similar cu cel din studiul chinez, prin aceea că folosește fotoni – mai degrabă decât materiale sau ioni supraconductori – pentru calcul.

Dar are un mare avantaj: este programabil. „Experimentele anterioare se bazau de obicei pe rețele statice, în care fiecare componentă este fixată odată fabricată.” a explicat Dr. Daniel Jost Brod de la Universitatea Federal Fluminense din Rio de Janeiro, Brazilia, care nu a fost implicat în studiu. Demonstrația anterioară a avantajului cuantic din studiul chinez a folosit un cip static. Cu Borealis, totuși, elementele optice „pot fi programate cu ușurință”, făcându-l mai puțin un dispozitiv de unică folosință și mai mult un computer real, potențial capabil să rezolve mai multe probleme. (Terenul de joacă cuantic este disponibil pe cloud pentru ca oricine să experimenteze și să exploreze odată ce vă înregistrați.)

Flexibilitatea cipului provine dintr-o actualizare ingenioasă a designului, o „schemă inovatoare [care] oferă un control impresionant și un potențial de scalare”, a spus Brod.

Echipa sa concentrat pe o problemă numită Eșantionarea bosonilor gaussieni, un punct de referință pentru evaluarea priceperii de calcul cuantic. Testul, deși este extraordinar de dificil din punct de vedere computațional, nu are un impact prea mare asupra problemelor din lumea reală. Cu toate acestea, la fel ca șahul sau Go pentru măsurarea performanței AI, acționează ca un judecător imparțial pentru a examina performanța calculului cuantic. Este un fel de „standard de aur”: „Eșantionarea bosonilor gaussian este o schemă concepută pentru a demonstra avantajele dispozitivelor cuantice față de computerele clasice”, a explicat Brod.

Configurația este ca un cort oglindă de carnaval într-un film de groază. Stări speciale de lumină (și fotoni) - numite amuzant „stări stoarse”— sunt tunelizate pe cip încorporat cu o rețea de separatoare de fascicule. Fiecare divizor de fascicul acționează ca o oglindă semi-reflectorizantă: în funcție de cum lovește lumina, se împarte în mai multe fiice, unele reflectând spatele, iar altele trecând prin ele. La sfârșitul dispozitivului se află o serie de detectoare de fotoni. Cu cât sunt mai mulți divizoare de fascicul, cu atât este mai dificil să se calculeze modul în care orice foton individual va ajunge la un detector dat.

Ca o altă vizualizare: imaginează-ți o mașină de fasole, o placă împletită în sticlă. Pentru a juca, aruncați un puc în cuiele din partea de sus. Pe măsură ce pucul cade, acesta lovește aleatoriu diferite șuruburi, ajungând în cele din urmă într-un slot numerotat.

Eșantionarea bosonilor gaussian înlocuiește puck-urile cu fotoni, cu scopul de a detecta ce foton aterizează în ce slot de detector. Datorită proprietăților cuantice, posibilele distribuții rezultate cresc exponențial, depășind rapid orice putere supercomputer. Este un punct de referință excelent, a explicat Brod, în mare parte pentru că înțelegem fizica subiacentă, iar configurația sugerează că chiar și câteva sute de fotoni pot provoca supercalculatoarele.

Preluând provocarea, noul studiu a reimaginat un dispozitiv cuantic fotonic cu 216 qubiți admirabili. Contrazicând design-urile clasice, dispozitivul a calculat fotonii în containere de timp de sosire, mai degrabă decât standardul anterior de direcție. Trucul a fost de a introduce bucle de fibre optice pentru a întârzia fotonii, astfel încât aceștia să poată interfera în anumite puncte importante pentru calculul cuantic.

Aceste ajustări au condus la un dispozitiv foarte slăbit. Rețeaua mare obișnuită de separatoare de fascicule – necesare în mod normal pentru comunicațiile cu fotoni – poate fi redusă la doar trei pentru a acoperi toate întârzierile necesare pentru ca fotonii să interacționeze și să calculeze sarcina. Design-urile buclei, împreună cu alte componente, sunt, de asemenea, „ușor programabile” prin faptul că un divizor de fascicul poate fi reglat fin în timp real, cum ar fi editarea codului computerului, dar la nivel hardware.

Echipa a trecut, de asemenea, la o verificare standard de sănătate, care atestă că datele de ieșire erau corecte.

Deocamdată, studiile care arată în mod fiabil supremația cuantică rămân rare. Calculatoarele convenționale au un avans de jumătate de secol. Pe măsură ce algoritmii continuă să evolueze pe computerele convenționale, în special cele care folosesc cipuri puternice concentrate pe AI sau neuromorf proiecte de calcul – ele pot chiar depăși cu ușurință dispozitivele cuantice, lăsându-le cu greu să ajungă din urmă.

Dar asta e distracția urmăririi. „Avantajul cuantic nu este un prag bine definit, bazat pe o singură cifră de merit. Și pe măsură ce experimentele se dezvoltă, la fel se vor dezvolta și tehnicile de simulare a acestora - ne putem aștepta ca dispozitivele cuantice și algoritmii clasici care stabilesc recorduri în viitorul apropiat să se provoace pe rând unul pe altul pentru primul loc”, a spus Brod.

„S-ar putea să nu fie sfârșitul poveștii”, a continuat el. Dar noul studiu „este un salt înainte pentru fizica cuantică în această cursă”.

Credit imagine: geralt / 24493 imagini

Timestamp-ul:

Mai mult de la Singularity Hub