Kvantni čip potrebuje mikrosekunde, da opravi nalogo, za katero bi superračunalnik porabil 9,000 let

Ali so kvantni računalniki prenapeti?

Nova študija in Narava pravi ne. Pametno zasnovana kvantna naprava, ki jo je razvilo podjetje Xanadu s sedežem v Torontu v Kanadi, je na primerjalni nalogi, ki bi sicer trajala več kot 9,000 let, izbrisala običajne računalnike.

Za kvantni čip Borealis so bili odgovori znotraj 36 mikrosekund.

Xanadujev dosežek je zadnji, ki dokazuje moč kvanta računalništvo nad običajnimi računalniki – na videz preprosta ideja, imenovana kvantna prednost.

Teoretično je koncept smiseln. Za razliko od običajnih računalnikov, ki računajo v zaporedju z uporabo binarnih bitov – 0 ali 1 –, se kvantne naprave dotaknejo nenavadnosti kvantnega sveta, kjer lahko 0 in 1 obstajata hkrati z različnimi verjetnostmi. Podatki se obdelujejo v kubitih, neobvezujoči enoti, ki zaradi svoje edinstvene fizike hkrati izvaja več izračunov.

prevod? Kvantni računalnik je kot hiperučinkovit multitasker, medtem ko so običajni računalniki veliko bolj linearni. Ko se pojavi enak problem, bi moral biti kvantni računalnik sposoben premagati katerega koli superračunalnik pri kateri koli težavi v smislu hitrosti in učinkovitosti. Zamisel, imenovana "kvantna premoč", je bila gonilna sila za novo generacijo računalnikov, ki so povsem tuje vsemu, kar je bilo narejeno prej.

Težava? Dokazovanje kvantne nadmoči je izjemno težko. Ker kvantne naprave vedno bolj zapuščajo laboratorij za reševanje bolj resničnih problemov, znanstveniki sprejemajo vmesno merilo uspešnosti: kvantna prednost, ki je zamisel, da lahko kvantni računalnik premaga običajnega pri samo eni nalogi – kateri koli nalogi.

Leta 2019 je Google zlomil internet predstavitev prvega primera kvantnega računalnika Sycamore, ki reši računalniški problem v samo 200 sekundah s 54 kubiti – v primerjavi z oceno običajnega superračunalnika 10,000 let. Kitajska ekipa kmalu je sledila druga fascinantna predstavitev kvantne računalniške prednosti, pri čemer je stroj izpljunil odgovore, za katere bi superračunalnik potreboval dve milijardi let.

Vendar ostaja ključno vprašanje: ali je katera od teh kvantnih naprav sploh blizu pripravljenosti za praktično uporabo?

Drastično preoblikovanje

Zlahka pozabimo, da so računalniki odvisni od fizike. Naš trenutni sistem se na primer dotika elektronov in pametno oblikovana čipi opravljati svoje funkcije. Kvantni računalniki so podobni, vendar se opirajo na alternativno fiziko delcev. Začetne generacije kvantnih strojev so bile videti kot nežni, lesketajoči se lestenci. Čeprav so popolnoma čudoviti, so v primerjavi s kompaktnim čipom pametnega telefona tudi popolnoma nepraktični. Strojna oprema pogosto zahteva strogo nadzorovano podnebje – na primer temperaturo blizu absolutne ničle – za zmanjšanje motenj in povečanje učinkovitosti računalnika.

Osnovni koncept kvantnega računalništva je enak: kubiti obdelujejo podatke v superpoziciji, kvantna fizikalna domislica, ki jim omogoča kodiranje 0, 1 ali oboje hkrati. Strojna oprema, ki podpira idejo, se močno razlikuje.

Googlov Sycamore na primer uporablja superprevodne kovinske zanke – nastavitev, priljubljena pri drugih tehnoloških velikanih, vključno z IBM-om, ki je predstavil Eagle, zmogljivo 127-qubit kvantni čip leta 2021 je to približno četrtina. Druge ponovitve podjetij, kot je npr Honeywell in IonQ sta ubrala drugačen pristop in izkoristila ione – atome z enim ali več odstranjenimi elektroni – kot svoj glavni vir za kvantno računalništvo.

Druga ideja temelji na fotonih ali delcih svetlobe. To se je že izkazalo za uporabno: kitajska demonstracija kvantne prednosti je na primer uporabila fotonsko napravo. Toda ideja se je tudi izogibala kot zgolj odskočna deska k kvantnemu računalništvu in ne praktična rešitev, predvsem zaradi težav pri načrtovanju in nastavitvi.

Fotonska revolucija

Xanadujeva ekipa je dokazala, da so se nasprotniki motili. Novi čip, Borealis, je malo podoben tistemu v kitajski študiji, saj za računanje uporablja fotone - namesto superprevodnih materialov ali ionov.

Ima pa veliko prednost: programirljiv je. "Prejšnji poskusi so se običajno zanašali na statična omrežja, v katerih je vsaka komponenta popravljena, ko je izdelana," razložiti Dr. Daniel Jost Brod na zvezni univerzi Fluminense v Riu de Janeiru v Braziliji, ki ni bil vključen v študijo. Prejšnja predstavitev kvantne prednosti v kitajski študiji je uporabila statični čip. Pri Borealisu pa je vse optične elemente "lahko programirati", zaradi česar je manj naprava za enkratno uporabo in bolj dejanski računalnik, ki bi lahko rešil več problemov. (Kvantno igrišče je na voljo v oblaku za vsakogar, ki lahko eksperimentira in raziskuje, ko se prijavite.)

Fleksibilnost čipa izhaja iz domiselne posodobitve zasnove, »inovativne sheme [ki] ponuja impresiven nadzor in potencial za skaliranje,« je dejal Brod.

Ekipa se je osredotočila na problem, imenovan Vzorčenje Gaussovega bozona, merilo uspešnosti za ocenjevanje sposobnosti kvantnega računalništva. Preizkus, čeprav je računsko izjemno težak, nima velikega vpliva na težave v resničnem svetu. Vendar pa, tako kot šah ali Go za merjenje zmogljivosti umetne inteligence, deluje kot nepristranski sodnik pri preučevanju zmogljivosti kvantnega računalništva. To je nekakšen "zlati standard": "Vzorčenje Gaussovega bozona je shema, zasnovana za prikaz prednosti kvantnih naprav pred klasičnimi računalniki," je pojasnil Brod.

Postavitev je kot zrcalni šotor karnevalske zabave v grozljivki. Posebna stanja svetlobe (in fotonov) – smešno imenovana “stisnjena stanja”— so tunelirani na čipu, v katerem je vgrajena mreža cepilnikov žarkov. Vsak razdelilnik žarka deluje kot polodsevno ogledalo: odvisno od tega, kako svetloba zadene, se razdeli na več hčerin, pri čemer se nekatere odbijajo nazaj, druge pa gredo skozi. Na koncu naprave je niz detektorjev fotonov. Več ko je razdelilcev žarkov, težje je izračunati, kako bo posamezen foton končal na katerem koli detektorju.

Kot druga vizualizacija: predstavljajte stroj za fižol, desko, obrobljeno s klini, obdano s steklom. Če želite igrati, plošček vržete v kline na vrhu. Ko plošček pade, naključno zadene različne kline in na koncu pristane v oštevilčeni reži.

Vzorčenje Gaussovih bozonov zamenja pake s fotoni, s ciljem zaznati, kateri foton pristane v kateri detektorski reži. Zaradi kvantnih lastnosti možne nastale porazdelitve rastejo eksponentno in hitro prehitevajo vse moči superračunalnikov. To je odlično merilo uspešnosti, je pojasnil Brod, predvsem zato, ker razumemo osnovno fiziko, in nastavitev kaže, da lahko celo nekaj sto fotonov izzove superračunalnike.

Nova študija je sprejela izziv in na novo zamislila fotonsko kvantno napravo z občudovanja vrednimi 216 kubiti. V nasprotju s klasičnimi zasnovami je naprava izračunala fotone v zabojih časa prihoda in ne prejšnjega standarda smeri. Trik je bil uvesti zanke optičnih vlaken za zakasnitev fotonov, da lahko motijo ​​na določenih točkah, pomembnih za kvantno računanje.

Te prilagoditve so pripeljale do močno zmanjšane naprave. Običajno veliko mrežo razdelilnikov žarkov, ki so običajno potrebni za fotonsko komunikacijo, je mogoče zmanjšati na samo tri, da se prilagodijo vsem potrebnim zakasnitvam, da fotoni medsebojno delujejo in izračunajo nalogo. Načrti zank, skupaj z drugimi komponentami, so tudi "zlahka programabilni", saj je mogoče razdelilnik žarka natančno nastaviti v realnem času - kot urejanje računalniške kode, vendar na ravni strojne opreme.

Ekipa je opravila tudi standardno preverjanje razumnosti, ki je potrdilo, da so izhodni podatki pravilni.

Študije, ki zanesljivo kažejo na kvantno prevlado, so za zdaj redke. Običajni računalniki imajo pol stoletja prednosti. Ker se algoritmi nenehno razvijajo na običajnih računalnikih – še posebej tistih, ki uporabljajo zmogljive čipe, osredotočene na AI ali nevromorfni računalniške zasnove—lahko celo zlahka prekašajo kvantne naprave, zaradi česar jih je težko dohiteti.

Toda to je zabavno lovljenje. »Kvantna prednost ni dobro definiran prag, ki temelji na eni sami številki zaslug. In ko se bodo eksperimenti razvijali, se bodo razvijale tudi tehnike za njihovo simulacijo – v bližnji prihodnosti lahko pričakujemo, da se bodo kvantne naprave in klasični algoritmi, ki postavljajo rekorde, izmenjevali med seboj za prvo mesto,« je dejal Brod.

"Morda to še ni konec zgodbe," je nadaljeval. Toda nova študija "je korak naprej za kvantno fiziko v tej tekmi."

Kreditno slike: geralt / 24493 slik

• Coinsmart. Najboljša evropska borza bitcoinov in kriptovalut.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. PROST DOSTOP.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Brezplačen preizkus.
• Vir: https://singularityhub.com/2022/06/07/a-photonic-quantum-device-took-microseconds-to-do-a-task-a-conventional-computer-would-spend-9000-years- na/