Квантовому чіпу потрібні мікросекунди, щоб виконати завдання, на яке суперкомп'ютер витратив 9,000 років

Чи завищені квантові комп’ютери?

Нове дослідження in природа каже ні. Розумно сконструйований квантовий пристрій, розроблений компанією Xanadu, що базується в Торонто, Канада, знищив звичайні комп’ютери під час виконання контрольного завдання, яке в іншому випадку зайняло б понад 9,000 років.

Для квантового чіпа Borealis відповіді були в межах 36 мікро-секунд.

Досягнення Ксанаду є останнім, що демонструє силу кванта обчислення порівняно зі звичайними комп’ютерами — здавалося б, проста ідея, яку називають квантовою перевагою.

Теоретично ця концепція має сенс. На відміну від звичайних комп’ютерів, які обчислюють послідовно, використовуючи двійкові біти — 0 або 1, — квантові пристрої використовують дивацтва квантового світу, де 0 і 1 можуть існувати одночасно з різною ймовірністю. Дані обробляються в кубітах, блоку без зобов’язань, який одночасно виконує кілька обчислень завдяки своїй унікальній фізиці.

Переклад? Квантовий комп’ютер схожий на гіперефективну багатозадачність, тоді як звичайні комп’ютери набагато більш лінійні. Коли виникає така ж проблема, квантовий комп’ютер повинен бути в змозі подолати будь-яку суперкомп'ютер у будь-якій проблемі з точки зору швидкості та ефективності. Ідея, названа «квантовою перевагою», стала рушійною силою для створення нового покоління комп’ютерів, абсолютно чужих всьому, що було створено раніше.

Проблема? Довести квантову перевагу надзвичайно важко. Оскільки квантові пристрої все частіше залишають лабораторію, щоб вирішувати все більше реальних проблем, вчені використовують проміжний критерій: квантову перевагу, яка полягає в тому, що квантовий комп’ютер може перемогти звичайний комп’ютер лише за одне завдання — будь-яку задачу.

Ще в 2019 році Google зламали інтернет демонструючи перший приклад квантового комп’ютера, Sycamore, який розв’язує обчислювальну задачу всього за 200 секунд за допомогою 54 кубітів — у порівнянні зі звичайним суперкомп’ютером, який оцінюється в 10,000 XNUMX років. Китайська команда незабаром послідувала друга захоплююча демонстрація переваг квантових обчислень, коли машина давала відповіді, на які суперкомп’ютеру знадобилося б понад два мільярди років.

Але залишається вирішальне питання: чи будь-який з цих квантових пристроїв майже готовий до практичного використання?

Кардинальний редизайн

Легко забути, що комп’ютери покладаються на фізику. Наша нинішня система, наприклад, використовує електрони і розумно розроблений чіпси виконувати свої функції. Квантові комп’ютери подібні, але вони спираються на альтернативну фізику елементарних частинок. Початкові покоління квантових машин виглядали як ніжні мерехтливі люстри. Хоча вони абсолютно чудові, порівняно з компактним чіпом для смартфона, вони також абсолютно непрактичні. Для апаратного забезпечення часто потрібен жорстко контрольований клімат — наприклад, температура близько абсолютного нуля — щоб зменшити перешкоди та підвищити ефективність комп’ютера.

Основна концепція квантових обчислень така ж: кубіти обробляють дані в суперпозиції, дива квантової фізики, яка дозволяє їм кодувати 0, 1 або обидва одночасно. Устаткування, яке підтримує цю ідею, сильно відрізняється.

Наприклад, Sycamore від Google використовує надпровідні металеві петлі — установка, популярна серед інших технологічних гігантів, включаючи IBM, яка представила Eagle, потужний 127-кубітний квантовий чіп у 2021 році це приблизно з чверть. Інші ітерації від таких компаній, як Honeywell і IonQ застосували інший підхід, використовуючи іони — атоми з одним або кількома вилученими електронами — як їхнє основне джерело для квантових обчислень.

Інша ідея спирається на фотони, або частинки світла. Це вже виявилося корисним: китайська демонстрація квантової переваги, наприклад, використовувала фотонний пристрій. Але цю ідею також уникали як просто сходинку до квантових обчислень, а не практичне рішення, здебільшого через труднощі в інженерії та налаштуванні.

Фотонна революція

Команда Ксанаду довела, що скептики помилялися. Новий чіп, Borealis, трохи схожий на той, що було в китайському дослідженні, оскільки для обчислень він використовує фотони, а не надпровідні матеріали чи іони.

Але у нього є величезна перевага: він програмований. «Попередні експерименти зазвичай покладалися на статичні мережі, в яких кожен компонент фіксується після виготовлення», пояснені Доктор Даніель Йост Брод з Федерального університету Флуміненсе в Ріо-де-Жанейро в Бразилії, який не брав участі в дослідженні. Попередня демонстрація квантової переваги в китайському дослідженні використовувала статичний чіп. Однак у Borealis оптичні елементи «можна легко запрограмувати», що робить його менш одноразовим пристроєм, а більше реальним комп’ютером, здатним вирішувати численні проблеми. (Квантовий майданчик доступний у хмарі щоб кожен міг експериментувати та досліджувати після реєстрації.)

Гнучкість чіпа забезпечується геніальним оновленням дизайну, «інноваційною схемою, [яка] пропонує вражаючий контроль і потенціал для масштабування», — сказав Брод.

Команда зосередилася на проблемі під назвою Вибірка гауссового бозона, еталон для оцінки майстерності квантових обчислень. Хоча цей тест надзвичайно складний з точки зору обчислень, він не має великого впливу на реальні проблеми. Однак, як і шахи або Go для вимірювання продуктивності ШІ, він діє як неупереджений суддя для дослідження продуктивності квантових обчислень. Це свого роду «золотий стандарт»: «Вибірка гауссового бозона — це схема, розроблена для демонстрації переваг квантових пристроїв перед класичними комп’ютерами», — пояснив Брод.

Облаштування нагадує карнавальний намет-дзеркало у фільмі жахів. Особливі стани світла (і фотонів) — забавно звані «стиснуті стани»— тунелюються на чіп, вбудований мережею променевих дільників. Кожен променевий розподільник діє як напіввідбивне дзеркало: залежно від того, як потрапляє світло, він розбивається на кілька дочірніх, при цьому одні відбиваються назад, а інші проходять крізь. На кінці вигадки знаходиться масив фотонних детекторів. Чим більше розподільників променя, тим складніше розрахувати, як кожен окремий фотон потрапить на будь-який даний детектор.

Як інша візуалізація: уявіть машину для бобів, дошку, обшиту кілочками, укладену в скло. Щоб грати, ви кидаєте шайбу в кілки у верхній частині. Коли шайба падає, вона випадково вдаряється про різні кілки, врешті-решт потрапляючи в пронумеровану щілину.

Вибірка гауссового бозона замінює шайби фотонами з метою виявлення того, який фотон потрапляє в слот детектора. Завдяки квантовим властивостям можливі результуючі розподіли зростають експоненціально, швидко випереджаючи потужності будь-яких суперкомп’ютерів. Це чудовий еталон, пояснив Брод, здебільшого тому, що ми розуміємо основну фізику, а налаштування показують, що навіть кілька сотень фотонів можуть кинути виклик суперкомп’ютерам.

Вирішуючи цю проблему, нове дослідження переосмислило фотонний квантовий пристрій із чудовими 216 кубітами. Всупереч класичним конструкціям, пристрій розраховував фотони в часі прибуття, а не попередній стандарт напрямку. Трюк полягав у тому, щоб ввести петлі з оптичних волокон для затримки фотонів, щоб вони могли втручатися в певні місця, важливі для квантових обчислень.

Ці зміни призвели до значного зменшення розміру пристрою. Звичайну велику мережу розподільників променів, які зазвичай необхідні для фотонного зв’язку, можна скоротити лише до трьох, щоб вмістити всі необхідні затримки для взаємодії фотонів і обчислення завдання. Конструкції циклу, поряд з іншими компонентами, також «легко програмуються», оскільки розподільник променів можна точно налаштувати в режимі реального часу — як редагування комп’ютерного коду, але на апаратному рівні.

Команда також пройшла стандартну перевірку працездатності, підтверджуючи, що вихідні дані правильні.

Наразі дослідження, які достовірно показують перевагу квантів, залишаються рідкісними. Звичайні комп'ютери мають півстоліття фору. Оскільки алгоритми продовжують розвиватися на звичайних комп’ютерах, особливо на тих, які використовують потужні чіпи, орієнтовані на штучний інтелект, або нейроморфний комп’ютерні конструкції — вони навіть можуть легко перевершити квантові пристрої, залишаючи їм труднощі наздогнати.

Але це і є задоволення від погоні. «Квантова перевага – це не чітко визначений поріг, заснований на одній цифрі заслуг. І в міру розвитку експериментів будуть розвиватися і методи їх моделювання — ми можемо очікувати, що в найближчому майбутньому встановлюють рекорди квантові пристрої та класичні алгоритми будуть по черзі боротися один з одним за перше місце», — сказав Брод.

«Це може бути не кінець історії», — продовжив він. Але нове дослідження «є стрибком вперед для квантової фізики в цій гонці».

Зображення Фото: geralt / 24493 зображення

• Coinsmart. Найкраща в Європі біржа біткойн та криптовалют.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. БЕЗКОШТОВНИЙ ДОСТУП.
• CryptoHawk. Альткойн Радар. Безкоштовне випробування.
• Джерело: https://singularityhub.com/2022/06/07/a-photonic-quantum-device-took-microseconds-to-do-a-task-a-conventional-computer-would-spend-9000-years- на/