Quantum Chip tar mikrosekunder att utföra en uppgift som en superdator skulle spendera 9,000 XNUMX år på PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Quantum Chip tar mikrosekunder att utföra en uppgift som en superdator skulle spendera 9,000 XNUMX år på

Tidsstämpel: 7 juni 2022 10:00
kvantfördel fotoner ljusbaserad beräkning

Är kvantdatorer överhypade?

En ny studie in Natur säger nej. En smart designad kvantenhet utvecklad av Xanadu, ett företag baserat i Toronto, Kanada, utplånade konventionella datorer på en benchmark-uppgift som annars skulle ta över 9,000 XNUMX år.

För kvantchippet Borealis kom svaren inom 36 mikrosekunder.

Xanadus prestation är den senaste för att demonstrera kvantkraften databehandling över konventionella datorer – en till synes enkel idé kallad kvantfördel.

Teoretiskt sett är konceptet vettigt. Till skillnad från konventionella datorer, som beräknar i sekvens med binära bitar – 0 eller 1 – utnyttjar kvantenheter kvantvärldens konstigheter, där 0 och 1 båda kan existera samtidigt med olika sannolikheter. Data bearbetas i qubits, en icke-bindande enhet som samtidigt utför flera beräkningar tack vare sin unika fysik.

Översättning? En kvantdator är som en hypereffektiv multitasker, medan konventionella datorer är mycket mer linjära. När man får samma problem borde en kvantdator kunna avbryta alla superdator i alla problem när det gäller hastighet och effektivitet. Idén, kallad "quantum supremacy", har varit drivkraften för att driva på för en ny generation av datorer som är helt främmande för allt som tidigare gjorts.

Problemet? Att bevisa kvantöverhöghet är extremt svårt. När kvantenheter i allt högre grad lämnar labbet för att lösa fler verkliga problem, anammar forskare ett mellanliggande riktmärke: kvantfördelar, som är idén att en kvantdator kan slå en konventionell dator med bara en uppgift - vilken uppgift som helst.

Tillbaka i 2019, Google bröt internet visar upp det första exemplet på en kvantdator, Sycamore, som löser ett beräkningsproblem på bara 200 sekunder med 54 qubits - jämfört med en konventionell superdators uppskattning på 10,000 XNUMX år. Ett kinesiskt lag snart följde en andra fascinerande uppvisning av kvantberäkningsfördelar, med maskinen som spottade ut svar som skulle ta en superdator över två miljarder år.

Ändå kvarstår en avgörande fråga: är någon av dessa kvantenheter ens nära att vara redo för praktisk användning?

En drastisk omdesign

Det är lätt att glömma att datorer är beroende av fysik. Vårt nuvarande system slår till exempel in elektroner och smart designad flis att utföra sina funktioner. Kvantdatorer liknar varandra, men de förlitar sig på alternativ partikelfysik. De första generationerna av kvantmaskiner såg ut som känsliga, skimrande ljuskronor. Även om de är helt underbara, jämfört med ett kompakt smartphone-chip, är de också helt opraktiska. Hårdvaran kräver ofta hårt kontrollerade klimat – till exempel nära absolut nolltemperatur – för att minska störningar och öka datorns effektivitet.

Kärnkonceptet för kvantberäkning är detsamma: qubits som bearbetar data i superposition, en kvantfysik-quirk som låter dem koda nollor, 0:or eller båda samtidigt. Hårdvaran som stöder idén skiljer sig mycket åt.

Googles Sycamore, till exempel, använder supraledande metallslingor – en installation populär bland andra teknikjättar inklusive IBM, som introducerade Eagle, en kraftfull 127-qubit kvantchip 2021 är det ungefär lika stort som en fjärdedel. Andra iterationer från företag som t.ex Honeywell och IonQ tog ett annat tillvägagångssätt och använde joner – atomer med en eller flera elektroner borttagna – som deras huvudsakliga källa för kvantberäkning.

En annan idé bygger på fotoner eller ljuspartiklar. Det har redan visat sig användbart: den kinesiska demonstrationen av kvantfördelar använde till exempel en fotonisk anordning. Men idén har också undvikits som en ren språngbräda mot kvantberäkning snarare än en praktisk lösning, till stor del på grund av svårigheter med konstruktion och installation.

En fotonisk revolution

Xanadus team visade att nejsägarna hade fel. Det nya chipet, Borealis, är marginellt likt det i den kinesiska studien genom att det använder fotoner – snarare än supraledande material eller joner – för beräkning.

Men det har en stor fördel: det är programmerbart. "Tidigare experiment förlitade sig vanligtvis på statiska nätverk, där varje komponent är fixerad när den väl tillverkats," förklarade Dr Daniel Jost Brod vid Federal Fluminense University i Rio de Janeiro i Brasilien, som inte var inblandad i studien. Den tidigare demonstrationen av kvantfördelar i den kinesiska studien använde ett statiskt chip. Med Borealis kan dock de optiska elementen "alla enkelt programmeras", vilket gör det mindre av en engångsenhet och mer av en faktisk dator som potentiellt kan lösa flera problem. (Kvantumlekplatsen är tillgängligt på molnet för alla att experimentera och utforska när du registrerar dig.)

Chipets flexibilitet kommer från en genialisk designuppdatering, ett "innovativt system [som] erbjuder imponerande kontroll och potential för skalning", sa Brod.

Teamet nollställde ett problem Gaussisk bosonprovtagning, ett riktmärke för att utvärdera kvantberäkningsförmåga. Testet, även om det är utomordentligt svårt beräkningsmässigt, har inte mycket inverkan på verkliga problem. Men precis som schack eller Go för att mäta AI-prestanda, fungerar den som en opartisk domare för att undersöka kvantdatorprestanda. Det är en sorts "guldstandard": "Gaussisk bosonsampling är ett schema utformat för att demonstrera fördelarna med kvantenheter jämfört med klassiska datorer," förklarade Brod.

Upplägget är som ett karnevalsfunhouse spegeltält i en skräckfilm. Speciella tillstånd av ljus (och fotoner) – underhållande kallat "pressade tillstånd”— är tunnlade på chipet inbäddat med ett nätverk av stråldelare. Varje stråldelare fungerar som en halvreflekterande spegel: beroende på hur ljuset träffar delas den upp i flera döttrar, med några reflekterande tillbaka och andra passerar igenom. I slutet av utrustningen finns en rad fotondetektorer. Ju fler stråldelare, desto svårare är det att beräkna hur en enskild foton kommer att hamna vid en given detektor.

Som en annan visualisering: föreställ dig en bönmaskin, en bräda med pinnar inkapslad i glas. För att spela tappar du en puck i pinnarna längst upp. När pucken faller träffar den slumpmässigt olika pinnar och landar så småningom i en numrerad lucka.

Gaussisk bosonsampling ersätter puckarna med fotoner, med målet att detektera vilken foton som landar i vilken detektorslits. På grund av kvantegenskaper växer de möjliga resulterande fördelningarna exponentiellt, och överträffar snabbt alla superdatorkrafter. Det är ett utmärkt riktmärke, förklarade Brod, till stor del för att vi förstår den underliggande fysiken, och upplägget tyder på att även några hundra fotoner kan utmana superdatorer.

Den nya studien antog utmaningen och ombildade en fotonisk kvantenhet med beundransvärda 216 qubits. I motsats till klassisk design beräknade enheten fotoner i lager av ankomsttid snarare än den tidigare standarden för riktning. Tricket var att introducera slingor av optiska fibrer för att fördröja fotoner så att de kan störa på specifika punkter som är viktiga för kvantberäkning.

Dessa justeringar ledde till en kraftigt bantad enhet. Det vanliga stora nätverket av stråldelare – som normalt behövs för fotonkommunikation – kan reduceras till bara tre för att ta emot alla nödvändiga fördröjningar för fotoner att interagera och beräkna uppgiften. Slingdesignerna, tillsammans med andra komponenter, är också "lätt programmerbara" genom att en stråldelare kan finjusteras i realtid - som att redigera datorkod, men på hårdvarunivå.

Teamet genomförde också en standardmässig förnuftskontroll som intygade att utdata var korrekta.

För närvarande är studier som tillförlitligt visar kvantöverlägsenhet sällsynta. Konventionella datorer har ett halvt sekels försprång. Allt eftersom algoritmer fortsätter att utvecklas på konventionella datorer – särskilt de som utnyttjar kraftfulla AI-fokuserade chips eller neuromorf datordesigner – de kan till och med lätt överträffa kvantenheter, vilket gör att de kämpar för att komma ikapp.

Men det är det roliga med jakten. "Kvantfördel är inte en väldefinierad tröskel, baserad på en enda meritvärde. Och i takt med att experiment utvecklas, kommer också tekniker för att simulera dem att utvecklas – vi kan förvänta oss rekordstora kvantenheter och klassiska algoritmer inom en snar framtid turas om att utmana varandra om topplaceringen, säger Brod.

"Det kanske inte är slutet på historien", fortsatte han. Men den nya studien "är ett steg framåt för kvantfysiken i denna ras."

Image Credit: geralt / 24493 bilder

Tidsstämpel:

Mer från Singularity Hub