ชิปควอนตัมใช้เวลาไมโครวินาทีในการทำงานที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์จะใช้เวลา 9,000 ปี

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเกินจริงหรือไม่?

การศึกษาใหม่ in ธรรมชาติ บอกว่าไม่มี อุปกรณ์ควอนตัมที่ออกแบบอย่างชาญฉลาดซึ่งพัฒนาโดย Xanadu บริษัทที่ตั้งอยู่ในเมืองโตรอนโต ประเทศแคนาดา ได้ทำลายคอมพิวเตอร์ทั่วไปโดยใช้เกณฑ์มาตรฐานที่อาจใช้เวลานานกว่า 9,000 ปี

สำหรับชิปควอนตัม Borealis คำตอบนั้นอยู่ภายใน 36 ไมโครวินาที

ความสำเร็จของ Xanadu เป็นผลงานล่าสุดที่แสดงให้เห็นถึงพลังของควอนตัม การคำนวณ เหนือคอมพิวเตอร์ทั่วไป—แนวคิดที่ดูเหมือนง่ายขนานนามว่าข้อได้เปรียบควอนตัม

ในทางทฤษฎี แนวคิดนี้สมเหตุสมผล ต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่คำนวณตามลำดับโดยใช้ไบนารีบิต—0 หรือ 1—อุปกรณ์ควอนตัมเข้าถึงความแปลกประหลาดของโลกควอนตัม โดยที่ 0 และ 1 สามารถมีอยู่ในเวลาเดียวกันโดยมีความน่าจะเป็นต่างกัน ข้อมูลได้รับการประมวลผลเป็น qubits ซึ่งเป็นหน่วยที่ไม่ผูกมัดที่ทำการคำนวณหลายรายการพร้อมกันด้วยฟิสิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์

แปล? คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นเหมือนมัลติทาสก์ที่มีประสิทธิภาพสูง ในขณะที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปมีลักษณะเชิงเส้นมากกว่ามาก เมื่อได้รับปัญหาเดียวกัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมควรจะสามารถเอาชนะสิ่งใดๆ ได้ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ในปัญหาใด ๆ ในแง่ของความเร็วและประสิทธิภาพ แนวคิดนี้เรียกว่า "อำนาจสูงสุดของควอนตัม" เป็นแรงผลักดันในการผลักดันคอมพิวเตอร์รุ่นใหม่ให้แตกต่างจากที่เคยสร้างมาโดยสิ้นเชิง

ปัญหา? การพิสูจน์อำนาจสูงสุดของควอนตัมนั้นยากมาก เนื่องจากอุปกรณ์ควอนตัมออกจากห้องแล็บมากขึ้นเพื่อแก้ปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์จึงใช้เกณฑ์มาตรฐานระดับกลาง นั่นคือ ความได้เปรียบด้านควอนตัม ซึ่งเป็นแนวคิดที่ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเอาชนะคอมพิวเตอร์แบบเดิมๆ ได้เพียงงานเดียว—ทุกงาน

ย้อนกลับไปในปี 2019 Google เน็ตหลุด นำเสนอตัวอย่างแรกของคอมพิวเตอร์ควอนตัม Sycamore ซึ่งแก้ปัญหาการคำนวณในเวลาเพียง 200 วินาทีด้วย 54 qubits เมื่อเทียบกับการประมาณการของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทั่วไปที่ 10,000 ปี ทีมจีน ตามมาด้วยการแสดงความได้เปรียบด้านการคำนวณควอนตัมอันน่าทึ่งครั้งที่สอง โดยเครื่องดังกล่าวจะคายคำตอบซึ่งจะใช้เวลาซูเปอร์คอมพิวเตอร์นานกว่าสองพันล้านปี

ทว่าคำถามสำคัญยังคงอยู่: อุปกรณ์ควอนตัมเหล่านี้ใกล้จะพร้อมสำหรับการใช้งานจริงหรือไม่?

การออกแบบใหม่ที่รุนแรง

ง่ายที่จะลืมไปว่าคอมพิวเตอร์ต้องอาศัยฟิสิกส์ ระบบปัจจุบันของเรา เช่น แตะที่ อิเล็กตรอน และออกแบบมาอย่างชาญฉลาด ชิป เพื่อทำหน้าที่ของตน คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความคล้ายคลึงกัน แต่ใช้ฟิสิกส์อนุภาคทางเลือก เครื่องควอนตัมรุ่นแรกดูเหมือนโคมระย้าที่ส่องแสงระยิบระยับ แม้ว่าจะสวยงามมากเมื่อเทียบกับชิปสมาร์ทโฟนขนาดกะทัดรัด แต่ก็ใช้งานไม่ได้โดยสิ้นเชิง ฮาร์ดแวร์มักต้องการสภาพอากาศที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด ตัวอย่างเช่น ใกล้อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ เพื่อลดการรบกวนและเพิ่มประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์

แนวคิดหลักของการคำนวณด้วยควอนตัมเหมือนกัน: การประมวลผล qubits ในการซ้อนทับ ซึ่งเป็นมุมแหลมของฟิสิกส์ควอนตัมที่ช่วยให้พวกเขาสามารถเข้ารหัส 0s, 1s หรือทั้งสองอย่างพร้อมกัน ฮาร์ดแวร์ที่สนับสนุนแนวคิดนี้แตกต่างกันอย่างมาก

ตัวอย่างเช่น Sycamore ของ Google ใช้ลูปโลหะตัวนำยิ่งยวด ซึ่งเป็นการตั้งค่าที่ได้รับความนิยมจากยักษ์ใหญ่ด้านเทคโนโลยีอื่นๆ รวมถึง IBM ซึ่งแนะนำ Eagle ซึ่งเป็นระบบที่มีประสิทธิภาพ ชิปควอนตัม 127 คิวบิต ในปี 2021 นั้นมีขนาดประมาณหนึ่งในสี่ การทำซ้ำอื่น ๆ จากบริษัทเช่น Honeywell และ IonQ ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป โดยแตะเป็นไอออน—อะตอมที่มีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่าถูกกำจัดออก—เป็นแหล่งหลักสำหรับการคำนวณควอนตัม

แนวคิดอื่นอาศัยโฟตอนหรืออนุภาคของแสง ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ เช่น การสาธิตความได้เปรียบของควอนตัมของจีน เช่น ใช้อุปกรณ์โฟโตนิก แต่แนวคิดนี้ก็ยังถูกรังเกียจว่าเป็นเพียงแค่การก้าวไปสู่การคำนวณด้วยควอนตัม มากกว่าที่จะเป็นวิธีแก้ปัญหาในทางปฏิบัติ ส่วนใหญ่เป็นเพราะความยุ่งยากในด้านวิศวกรรมและการตั้งค่า

การปฏิวัติโฟโตนิก

ทีมของซานาดูพิสูจน์ว่าผู้ปฏิเสธผิด ชิปตัวใหม่ Borealis มีความคล้ายคลึงกับชิปในการศึกษาของจีนเล็กน้อยซึ่งใช้โฟตอน แทนที่จะใช้วัสดุตัวนำยิ่งยวดหรือไอออนในการคำนวณ

แต่มีข้อได้เปรียบอย่างมาก: สามารถตั้งโปรแกรมได้ “การทดลองก่อนหน้านี้มักอาศัยเครือข่ายแบบคงที่ ซึ่งแต่ละองค์ประกอบจะได้รับการแก้ไขเมื่อมีการประดิษฐ์ขึ้น” อธิบาย Dr. Daniel Jost Brod จาก Federal Fluminense University ในเมืองริโอเดจาเนโรในบราซิล ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาวิจัยนี้ การสาธิตความได้เปรียบของควอนตัมก่อนหน้านี้ในการศึกษาของจีนใช้ชิปแบบคงที่ อย่างไรก็ตาม ด้วย Borealis องค์ประกอบออปติคัล "สามารถตั้งโปรแกรมได้ทั้งหมด" ทำให้เป็นอุปกรณ์แบบใช้ครั้งเดียวน้อยลงและคอมพิวเตอร์จริง ๆ สามารถแก้ปัญหาได้หลายอย่าง (สนามเด็กเล่นควอนตัมคือ พร้อมใช้งานบนคลาวด์ ให้ทุกคนได้ทดลองและสำรวจเมื่อคุณสมัครใช้งาน)

ความยืดหยุ่นของชิปมาจากการปรับปรุงการออกแบบที่ชาญฉลาด "รูปแบบนวัตกรรม [ที่] ให้การควบคุมที่น่าประทับใจและมีศักยภาพในการปรับขนาด" Brod กล่าว

ทีมศูนย์ในปัญหาที่เรียกว่า การเก็บตัวอย่างโบซอนแบบเกาส์เซียนซึ่งเป็นเกณฑ์มาตรฐานสำหรับการประเมินความสามารถในการคำนวณควอนตัม การทดสอบนี้แม้จะยากเป็นพิเศษในการคำนวณ แต่ก็ไม่ได้ส่งผลกระทบมากนักต่อปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริง อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับหมากรุกหรือ Go สำหรับการวัดประสิทธิภาพของ AI นั้นทำหน้าที่เป็นผู้ตัดสินที่เป็นกลางเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพการคำนวณควอนตัม มันเป็น "มาตรฐานทองคำ" แปลก ๆ: "การสุ่มตัวอย่างแบบเกาส์เซียนเป็นรูปแบบที่ออกแบบมาเพื่อแสดงให้เห็นถึงข้อดีของอุปกรณ์ควอนตัมเหนือคอมพิวเตอร์คลาสสิก" Brod อธิบาย

การตั้งค่าเป็นเหมือนเต็นท์กระจกในเทศกาลคาร์นิวัลในหนังสยองขวัญ สภาวะพิเศษของแสง (และโฟตอน)—เรียกอย่างสนุกสนานว่า “รัฐบีบ”—ถูกเจาะเข้าไปในชิปที่ฝังด้วยเครือข่ายของตัวแยกลำแสง ตัวแยกลำแสงแต่ละตัวทำหน้าที่เหมือนกระจกกึ่งสะท้อนแสง: ขึ้นอยู่กับว่าแสงตกกระทบอย่างไร มันจะแยกออกเป็นลูกสาวหลายคน โดยมีบางส่วนสะท้อนแสงกลับและบางส่วนผ่านไป ในตอนท้ายของ contraption เป็นอาร์เรย์ของเครื่องตรวจจับโฟตอน ยิ่งมีตัวแยกลำแสงมากเท่าไร ก็ยิ่งยากในการคำนวณว่าโฟตอนแต่ละอันจะลงเอยที่เครื่องตรวจจับใดๆ ได้อย่างไร

อีกภาพหนึ่ง: ลองนึกภาพเครื่องผลิตถั่ว กระดานหมุดที่หุ้มด้วยแก้ว ในการเล่น คุณวางลูกยางไว้บนหมุดที่ด้านบน เมื่อเด็กซนตกลงมา มันจะสุ่มโดนหมุดต่างๆ ในที่สุดก็ลงจอดในช่องที่มีหมายเลข

การสุ่มตัวอย่างโบซอนแบบเกาส์เซียนแทนที่ลูกยางด้วยโฟตอน โดยมีเป้าหมายในการตรวจจับว่าโฟตอนใดตกลงไปในช่องเครื่องตรวจจับ เนื่องจากคุณสมบัติของควอนตัม การกระจายผลลัพธ์ที่เป็นไปได้จะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ แซงหน้าพลังของซูเปอร์คอมพิวเตอร์อย่างรวดเร็ว Brod อธิบายว่ามันเป็นเกณฑ์มาตรฐานที่ยอดเยี่ยม ส่วนใหญ่เป็นเพราะเราเข้าใจฟิสิกส์พื้นฐาน และการตั้งค่าแนะนำว่าแม้เพียงสองสามร้อยโฟตอนก็สามารถท้าทายซูเปอร์คอมพิวเตอร์ได้

การศึกษาครั้งใหม่นี้ได้เปลี่ยนโฉมอุปกรณ์ควอนตัมโฟโตนิกด้วยความท้าทายนี้ซึ่งมี 216 คิวบิตที่น่าชื่นชม ตรงกันข้ามกับการออกแบบที่คลาสสิก อุปกรณ์คำนวณโฟตอนในถังเวลาที่มาถึงมากกว่ามาตรฐานทิศทางก่อนหน้า เคล็ดลับคือการแนะนำลูปของเส้นใยแก้วนำแสงเพื่อชะลอโฟตอนเพื่อให้สามารถรบกวนที่จุดเฉพาะที่สำคัญสำหรับการคำนวณควอนตัม

การปรับแต่งเหล่านี้ทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลงอย่างมากมาย เครือข่ายขนาดใหญ่ตามปกติของตัวแยกลำแสง—ซึ่งปกติจำเป็นสำหรับการสื่อสารด้วยโฟตอน—สามารถลดลงเหลือเพียงสามเครือข่ายเพื่อรองรับความล่าช้าที่จำเป็นทั้งหมดสำหรับโฟตอนในการโต้ตอบและคำนวณงาน การออกแบบลูปพร้อมกับส่วนประกอบอื่น ๆ ยัง "ตั้งโปรแกรมได้ง่าย" โดยที่ตัวแยกลำแสงสามารถปรับแต่งได้แบบเรียลไทม์ เช่น การแก้ไขโค้ดคอมพิวเตอร์ แต่ในระดับฮาร์ดแวร์

ทีมงานยังได้ผ่านการตรวจสุขภาพตามมาตรฐาน ซึ่งรับรองว่าข้อมูลที่ส่งออกนั้นถูกต้อง

สำหรับตอนนี้ การศึกษาที่แสดงอำนาจสูงสุดของควอนตัมได้อย่างน่าเชื่อถือยังคงพบได้ยาก คอมพิวเตอร์ทั่วไปเริ่มต้นครึ่งศตวรรษ ในขณะที่อัลกอริธึมพัฒนาอย่างต่อเนื่องในคอมพิวเตอร์ทั่วไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ใช้ชิปที่เน้น AI อันทรงพลังหรือ เกี่ยวกับระบบประสาท การออกแบบคอมพิวเตอร์—อาจทำได้ดีกว่าอุปกรณ์ควอนตัม ทำให้พวกเขาต้องดิ้นรนเพื่อตามให้ทัน

แต่นั่นคือความสนุกของการไล่ล่า “ความได้เปรียบของควอนตัมไม่ใช่เกณฑ์ที่กำหนดไว้อย่างดี โดยพิจารณาจากข้อดีเพียงประการเดียว และในขณะที่การทดลองพัฒนาขึ้น เทคนิคการจำลองก็เช่นกัน - เราสามารถคาดหวังให้อุปกรณ์ควอนตัมที่สร้างสถิติและอัลกอริธึมคลาสสิกในอนาคตอันใกล้จะผลัดกันท้าทายซึ่งกันและกันเพื่อให้ได้ตำแหน่งสูงสุด” Brod กล่าว

“มันอาจจะไม่ใช่จุดจบของเรื่อง” เขากล่าวต่อ แต่การศึกษาใหม่นี้ “เป็นการก้าวกระโดดสำหรับฟิสิกส์ควอนตัมในการแข่งขันครั้งนี้”

เครดิตภาพ: geralt / 24493 ภาพ

• คอยน์สมาร์ท การแลกเปลี่ยน Bitcoin และ Crypto ที่ดีที่สุดในยุโรป
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าฟรี
• คริปโตฮอว์ก เรดาร์ Altcoin ทดลองฟรี.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2022/06/07/a-photonic-quantum-device-took-microseconds-to-do-a-task-a-conventional-computer-would-spend-9000-years- บน/