Квантовый чип выполняет за микросекунды задачу, на которую суперкомпьютер потратил бы 9,000 лет

Квантовые компьютеры слишком разрекламированы?

Новое исследование in природа говорит нет. Умело спроектированное квантовое устройство, разработанное Xanadu, компанией, базирующейся в Торонто, Канада, уничтожило обычные компьютеры в контрольной задаче, которая в противном случае заняла бы более 9,000 лет.

Для квантового чипа Borealis ответы пришли в пределах 36 Майксекунд.

Достижение Ксанаду — последняя демонстрация силы квантовых технологий. вычисление над обычными компьютерами — казалось бы, простая идея, получившая название квантового преимущества.

Теоретически концепция имеет смысл. В отличие от обычных компьютеров, которые вычисляют последовательно, используя двоичные биты — 0 или 1, — квантовые устройства используют странности квантового мира, где 0 и 1 могут существовать одновременно с разной вероятностью. Данные обрабатываются в кубитах — необязательных единицах, которые одновременно выполняют несколько вычислений благодаря своей уникальной физике.

Перевод? Квантовый компьютер похож на гиперэффективный многозадачный компьютер, тогда как обычные компьютеры гораздо более линейны. При решении той же задачи квантовый компьютер должен быть в состоянии превзойти любой суперкомпьютер в любой задаче с точки зрения скорости и эффективности. Идея, получившая название «квантовое превосходство», стала движущей силой для создания нового поколения компьютеров, полностью отличных от всего, что было создано ранее.

Проблема? Доказать квантовое превосходство чрезвычайно сложно. По мере того, как квантовые устройства все чаще покидают лабораторию для решения более реальных проблем, ученые принимают промежуточный эталон: квантовое преимущество, которое заключается в том, что квантовый компьютер может превзойти обычный компьютер только в одной задаче — любой задаче.

Еще в 2019 году, Google сломал интернет демонстрация первого примера квантового компьютера Sycamore, решающего вычислительную задачу всего за 200 секунд с использованием 54 кубитов — по сравнению с оценкой обычного суперкомпьютера в 10,000 XNUMX лет. Китайская команда Вскоре последовала вторая захватывающая демонстрация преимущества квантовых вычислений, когда машина выдавала ответы, на которые суперкомпьютеру потребовалось бы более двух миллиардов лет.

Тем не менее, остается важный вопрос: готовы ли какие-либо из этих квантовых устройств к практическому использованию?

Резкий редизайн

Легко забыть, что компьютеры полагаются на физику. Наша текущая система, например, подключается к электронов и продуманный до мелочей чипсы выполнять свои функции. Квантовые компьютеры похожи, но они основаны на альтернативной физике элементарных частиц. Первые поколения квантовых машин выглядели как изящные мерцающие люстры. Хотя они абсолютно великолепны по сравнению с компактным чипом смартфона, они также совершенно непрактичны. Аппаратному обеспечению часто требуется строго контролируемый климат — например, температура, близкая к абсолютному нулю, — чтобы уменьшить помехи и повысить эффективность компьютера.

Основная концепция квантовых вычислений та же: кубиты обрабатывают данные в суперпозиции, причуда квантовой физики, которая позволяет им кодировать 0, 1 или и то, и другое одновременно. Аппаратное обеспечение, поддерживающее эту идею, сильно различается.

Google Sycamore, например, использует сверхпроводящие металлические петли — установка, популярная у других технологических гигантов, включая IBM, которая представила Eagle, мощный 127-кубитный квантовый чип в 2021 году это примерно четверть. Другие итерации от таких компаний, как Honeywell а IonQ применили другой подход, используя ионы — атомы с удаленным одним или несколькими электронами — в качестве основного источника для квантовых вычислений.

Другая идея основана на фотонах или частицах света. Это уже доказало свою полезность: китайская демонстрация квантового преимущества, например, использовала фотонное устройство. Но эту идею также избегали как простую ступеньку на пути к квантовым вычислениям, а не как практическое решение, в основном из-за трудностей проектирования и настройки.

Фотонная революция

Команда Ксанаду доказала, что скептики ошибались. Новый чип, Borealis, немного похож на тот, что использовался в китайском исследовании, в том, что он использует для вычислений фотоны, а не сверхпроводящие материалы или ионы.

Но у него есть огромное преимущество: он программируемый. «Предыдущие эксперименты обычно основывались на статических сетях, в которых каждый компонент фиксируется после изготовления». объяснены Доктор Даниэль Йост Брод из Федерального университета Флуминенсе в Рио-де-Жанейро в Бразилии, который не участвовал в исследовании. В более ранней демонстрации квантового преимущества в китайском исследовании использовался статический чип. Однако в Borealis все оптические элементы «могут быть легко запрограммированы», что делает его не столько одноразовым устройством, сколько настоящим компьютером, потенциально способным решать множество задач. (Квантовая игровая площадка доступно в облаке для всех, кто может экспериментировать и исследовать после регистрации.)

Гибкость чипа обусловлена ​​гениальным обновлением дизайна, «новаторской схемой, [которая] предлагает впечатляющий контроль и потенциал для масштабирования», — сказал Брод.

Команда сосредоточилась на проблеме под названием Выборка бозона Гаусса, эталон для оценки мастерства квантовых вычислений. Тест, хотя и чрезвычайно сложный в вычислительном отношении, не оказывает большого влияния на реальные проблемы. Однако, подобно шахматам или го для измерения производительности ИИ, он выступает в качестве беспристрастного судьи при оценке производительности квантовых вычислений. Это своего рода «золотой стандарт»: «Выборка бозонов Гаусса — это схема, предназначенная для демонстрации преимуществ квантовых устройств по сравнению с классическими компьютерами», — объяснил Брод.

Обстановка похожа на карнавальный зеркальный шатер в фильме ужасов. Особые состояния света (и фотонов) — забавно называемые «сжатые состояния»— туннелируются на чипе со встроенной сетью светоделителей. Каждый светоделитель действует как полуотражающее зеркало: в зависимости от того, как падает свет, он разделяется на несколько дочерних элементов, одни из которых отражаются обратно, а другие проходят сквозь них. В конце устройства находится массив фотонных детекторов. Чем больше светоделителей, тем сложнее рассчитать, как каждый отдельный фотон попадет в тот или иной детектор.

В качестве другой визуализации: представьте бобовую машину, доску с шипами, заключенную в стекло. Чтобы играть, вы бросаете шайбу в колышки наверху. Когда шайба падает, она случайным образом попадает в разные колышки, в конечном итоге попадая в пронумерованную щель.

Выборка бозона Гаусса заменяет шайбы фотонами с целью определения того, какой фотон попадает в какую щель детектора. Благодаря квантовым свойствам возможные результирующие распределения растут экспоненциально, быстро опережая любые возможности суперкомпьютера. Это отличный ориентир, объяснил Брод, в основном потому, что мы понимаем лежащую в его основе физику, а установка предполагает, что даже несколько сотен фотонов могут бросить вызов суперкомпьютерам.

Приняв вызов, новое исследование переосмыслило фотонное квантовое устройство с замечательными 216 кубитами. Вопреки классическим конструкциям, устройство рассчитывало фотоны в интервалах времени прихода, а не в предыдущем стандарте направления. Хитрость заключалась в том, чтобы ввести петли оптических волокон для задержки фотонов, чтобы они могли интерферировать в определенных точках, важных для квантовых вычислений.

Эти настройки привели к значительному уменьшению устройства. Обычная большая сеть светоделителей, обычно необходимая для фотонной связи, может быть сокращена до трех, чтобы учесть все необходимые задержки для взаимодействия фотонов и выполнения задачи. Конструкции контуров, наряду с другими компонентами, также «легко программируются» в том смысле, что светоделитель можно точно настроить в режиме реального времени — подобно редактированию компьютерного кода, но на аппаратном уровне.

Команда также прошла стандартную проверку работоспособности, подтвердив правильность выходных данных.

На данный момент исследования, достоверно демонстрирующие квантовое превосходство, остаются редкостью. Обычные компьютеры имеют полувековую фору. Поскольку алгоритмы продолжают развиваться на обычных компьютерах, особенно на тех, которые используют мощные чипы, ориентированные на ИИ, или нейроморфный вычислительные конструкции — они могут даже легко превзойти квантовые устройства, оставив их с трудом, чтобы наверстать упущенное.

Но в этом вся прелесть погони. «Квантовое преимущество — это не четко определенный порог, основанный на единственном показателе качества. По мере развития экспериментов будут развиваться и методы их моделирования — мы можем ожидать, что в ближайшем будущем рекордные квантовые устройства и классические алгоритмы будут по очереди соревноваться друг с другом за первое место», — сказал Брод.

«Возможно, это не конец истории, — продолжил он. Но новое исследование «является скачком вперед для квантовой физики в этой гонке».

Изображение Фото: геральт / 24493 фотографий

• Коинсмарт. Лучшая в Европе биржа биткойнов и криптовалют.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. БЕСПЛАТНЫЙ ДОСТУП.
• КриптоХок. Альткоин Радар. Бесплатная пробная версия.
• Источник: https://singularityhub.com/2022/06/07/a-photonic-quantum-device-took-microсекунды-to-do-a-task-a-conventional-computer-would-spend-9000-years- на/