Chip lượng tử mất micro giây để thực hiện một nhiệm vụ mà một siêu máy tính sẽ tiêu tốn 9,000 năm

Máy tính lượng tử có bị thổi phồng quá mức không?

Một nghiên cứu mới in Thiên nhiên nói không. Một thiết bị lượng tử được thiết kế thông minh được phát triển bởi Xanadu, một công ty có trụ sở tại Toronto, Canada, đã xóa sổ các máy tính thông thường trong một nhiệm vụ tiêu chuẩn có thể mất hơn 9,000 năm.

Đối với chip lượng tử Borealis, câu trả lời đến trong vòng 36 vigiây.

Thành tựu của Xanadu là thành tựu mới nhất chứng minh sức mạnh của lượng tử máy tính so với máy tính thông thường — một ý tưởng có vẻ đơn giản được mệnh danh là lợi thế lượng tử.

Về mặt lý thuyết, khái niệm này có ý nghĩa. Không giống như các máy tính thông thường, tính toán theo trình tự bằng cách sử dụng các bit nhị phân - 0 hoặc 1 - các thiết bị lượng tử khai thác sự kỳ lạ của thế giới lượng tử, nơi 0 và 1 có thể tồn tại đồng thời với các xác suất khác nhau. Dữ liệu được xử lý bằng qubit, một đơn vị phi kim loại có thể thực hiện đồng thời nhiều phép tính nhờ vật lý độc đáo của nó.

Dịch? Máy tính lượng tử giống như một máy đa nhiệm siêu hiệu quả, trong khi máy tính thông thường tuyến tính hơn nhiều. Khi đưa ra cùng một vấn đề, một máy tính lượng tử sẽ có thể giải quyết bất kỳ siêu máy tính trong bất kỳ vấn đề nào về tốc độ và hiệu quả. Ý tưởng được mệnh danh là “quyền tối cao lượng tử” đã là động lực thúc đẩy một thế hệ máy tính mới hoàn toàn xa lạ với bất cứ thứ gì được tạo ra trước đây.

Vấn đề? Việc chứng minh ưu thế lượng tử là vô cùng khó khăn. Khi các thiết bị lượng tử ngày càng rời khỏi phòng thí nghiệm để giải quyết nhiều vấn đề trong thế giới thực hơn, các nhà khoa học đang nắm lấy một tiêu chuẩn trung gian: lợi thế lượng tử, đó là ý tưởng rằng một máy tính lượng tử có thể đánh bại một máy tính thông thường chỉ ở một nhiệm vụ — bất kỳ nhiệm vụ nào.

Trở lại năm 2019, Google phá vỡ mạng internet giới thiệu ví dụ đầu tiên về máy tính lượng tử, Sycamore, giải một bài toán tính toán chỉ trong 200 giây với 54 qubit - so với ước tính của một siêu máy tính thông thường là 10,000 năm. Một đội Trung Quốc ngay sau đó là màn giới thiệu hấp dẫn thứ hai về lợi thế tính toán lượng tử, với cỗ máy đưa ra câu trả lời mà siêu máy tính sẽ mất hơn hai tỷ năm.

Tuy nhiên, một câu hỏi quan trọng vẫn còn: có bất kỳ thiết bị lượng tử nào trong số này gần như sẵn sàng để sử dụng thực tế không?

Một thiết kế lại quyết liệt

Thật dễ dàng để quên rằng máy tính dựa vào vật lý. Hệ thống hiện tại của chúng tôi, chẳng hạn, chạm vào điện tử và được thiết kế thông minh chip để thực hiện các chức năng của chúng. Máy tính lượng tử cũng tương tự, nhưng chúng dựa trên vật lý hạt thay thế. Các thế hệ máy lượng tử ban đầu trông giống như những chiếc đèn chùm tinh xảo, lung linh. Mặc dù hoàn toàn tuyệt đẹp, nhưng so với một con chip điện thoại thông minh nhỏ gọn, chúng cũng hoàn toàn không thực tế. Phần cứng thường yêu cầu khí hậu được kiểm soát chặt chẽ — ví dụ, nhiệt độ gần bằng XNUMX tuyệt đối — để giảm nhiễu và tăng hiệu suất của máy tính.

Khái niệm cốt lõi của điện toán lượng tử cũng giống như vậy: các qubit xử lý dữ liệu theo dạng chồng chất, một vấn đề vật lý lượng tử cho phép chúng mã hóa 0s, 1s hoặc cả hai cùng một lúc. Phần cứng hỗ trợ ý tưởng rất khác nhau.

Ví dụ, Sycamore của Google sử dụng vòng kim loại siêu dẫn — một thiết lập phổ biến với các công ty công nghệ khổng lồ khác bao gồm IBM, đã giới thiệu Eagle, một Chip lượng tử 127 qubit vào năm 2021, đó là quy mô của một phần tư. Các lần lặp lại khác từ các công ty như Honeywell và IonQ thực hiện một cách tiếp cận khác, khai thác các ion — nguyên tử bị loại bỏ một hoặc nhiều điện tử — làm nguồn chính của chúng cho tính toán lượng tử.

Một ý tưởng khác dựa trên các photon, hoặc các hạt ánh sáng. Nó đã được chứng minh là hữu ích: ví dụ, cuộc chứng minh lợi thế lượng tử của Trung Quốc đã sử dụng một thiết bị quang tử. Tuy nhiên, ý tưởng này cũng bị coi là một bước đệm hướng tới tính toán lượng tử hơn là một giải pháp thực tế, phần lớn là do những khó khăn trong kỹ thuật và thiết lập.

Một cuộc cách mạng quang tử

Nhóm của Xanadu đã chứng minh những người phản đối đã sai. Con chip mới, Borealis, gần giống với con chip trong nghiên cứu của Trung Quốc ở chỗ nó sử dụng các photon - thay vì các vật liệu hoặc ion siêu dẫn - để tính toán.

Nhưng nó có một lợi thế rất lớn: nó có thể lập trình được. “Các thử nghiệm trước đây thường dựa trên các mạng tĩnh, trong đó mỗi thành phần được cố định sau khi được chế tạo,” Giải thích Tiến sĩ Daniel Jost Brod tại Đại học Liên bang Fluminense tại Rio de Janeiro ở Brazil, người không tham gia vào nghiên cứu. Chứng minh lợi thế lượng tử trước đó trong nghiên cứu của Trung Quốc đã sử dụng một con chip tĩnh. Tuy nhiên, với Borealis, các phần tử quang học “tất cả đều có thể được lập trình dễ dàng”, khiến nó không còn là một thiết bị sử dụng một lần và giống một máy tính thực tế có khả năng giải quyết nhiều vấn đề hơn. (Sân chơi lượng tử là có sẵn trên đám mây để mọi người thử nghiệm và khám phá sau khi bạn đăng ký.)

Tính linh hoạt của chip đến từ một bản cập nhật thiết kế khéo léo, một “sơ đồ sáng tạo [giúp] cung cấp khả năng kiểm soát ấn tượng và tiềm năng mở rộng quy mô,” Brod nói.

Nhóm đã giải quyết một vấn đề có tên là Lấy mẫu boson Gaussian, một chuẩn mực để đánh giá năng lực tính toán lượng tử. Bài kiểm tra, mặc dù cực kỳ khó về mặt tính toán, nhưng không ảnh hưởng nhiều đến các vấn đề trong thế giới thực. Tuy nhiên, giống như cờ vua hoặc cờ vây để đo lường hiệu suất của AI, nó hoạt động như một giám khảo không thiên vị để kiểm tra hiệu suất tính toán lượng tử. Đó là một “tiêu chuẩn vàng” về các loại: “Lấy mẫu boson Gaussian là một sơ đồ được thiết kế để chứng minh những ưu điểm của thiết bị lượng tử so với máy tính cổ điển,” Brod giải thích.

Thiết lập giống như một chiếc lều gương trong lễ hội hóa trang trong một bộ phim kinh dị. Các trạng thái đặc biệt của ánh sáng (và các photon) —được gọi là “tiểu bang vắt ”—Được đưa vào con chip được nhúng với một mạng lưới các bộ tách tia. Mỗi bộ tách chùm hoạt động giống như một chiếc gương bán phản xạ: tùy thuộc vào cách ánh sáng chiếu vào, nó phân tách thành nhiều con, với một số phản xạ trở lại và một số khác đi qua. Ở phần cuối của quá trình là một loạt các máy dò photon. Càng nhiều bộ tách chùm, càng khó tính toán xem bất kỳ photon riêng lẻ nào sẽ kết thúc như thế nào tại bất kỳ máy dò nhất định nào.

Như một hình dung khác: hình dung một chiếc máy đậu, một tấm ván được bọc bằng thủy tinh. Để chơi, bạn thả một quả bóng vào các chốt ở trên cùng. Khi quả bóng rơi xuống, nó chạm ngẫu nhiên vào các chốt khác nhau, cuối cùng hạ cánh vào một khe được đánh số.

Lấy mẫu boson Gaussian thay thế các pucks bằng các photon, với mục tiêu phát hiện photon nào đáp xuống khe dò nào. Do tính chất lượng tử, các phân phối kết quả có thể có tăng lên theo cấp số nhân, nhanh chóng vượt xa bất kỳ siêu máy tính nào. Brod giải thích, đó là một điểm chuẩn tuyệt vời, phần lớn là do chúng tôi hiểu vật lý cơ bản và cách thiết lập cho thấy rằng thậm chí vài trăm photon cũng có thể thách thức siêu máy tính.

Tiếp nhận thách thức, nghiên cứu mới đã mô phỏng lại một thiết bị lượng tử quang tử với 216 qubit đáng ngưỡng mộ. Trái ngược với các thiết kế cổ điển, thiết bị này tính toán các photon trong thùng thời gian đến thay vì tiêu chuẩn định hướng trước đây. Bí quyết là tạo ra các vòng sợi quang để làm trễ các photon để chúng có thể giao thoa tại các điểm cụ thể quan trọng đối với tính toán lượng tử.

Những điều chỉnh này đã dẫn đến một thiết bị được thu nhỏ lại rất nhiều. Mạng lưới bộ tách chùm lớn thông thường - thường cần cho truyền thông photon - có thể giảm xuống chỉ còn ba để đáp ứng tất cả các độ trễ cần thiết cho các photon tương tác và tính toán tác vụ. Các thiết kế vòng lặp, cùng với các thành phần khác, cũng “có thể lập trình dễ dàng” trong đó bộ tách chùm có thể được tinh chỉnh trong thời gian thực - giống như chỉnh sửa mã máy tính, nhưng ở cấp phần cứng.

Nhóm cũng đã đạt được một cuộc kiểm tra độ tỉnh táo tiêu chuẩn, xác nhận rằng dữ liệu đầu ra là chính xác.

Hiện tại, các nghiên cứu cho thấy một cách đáng tin cậy về quyền tối cao lượng tử vẫn còn hiếm. Máy tính thông thường đã có từ nửa thế kỷ trước. Khi các thuật toán tiếp tục phát triển trên các máy tính thông thường — đặc biệt là các thuật toán khai thác vào các chip tập trung vào AI mạnh mẽ hoặc thần kinh đa hình thiết kế điện toán — chúng thậm chí có thể dễ dàng vượt trội hơn các thiết bị lượng tử, khiến chúng phải vật lộn để bắt kịp.

Nhưng đó là niềm vui của cuộc rượt đuổi. “Lợi thế lượng tử không phải là một ngưỡng được xác định rõ ràng, dựa trên một con số thành tích duy nhất. Và khi các thí nghiệm phát triển, các kỹ thuật mô phỏng chúng cũng vậy - chúng ta có thể mong đợi các thiết bị lượng tử lập kỷ lục và các thuật toán cổ điển trong tương lai gần sẽ thay phiên nhau thách thức nhau để giành vị trí đầu bảng, ”Brod nói.

“Nó có thể không phải là kết thúc của câu chuyện,” anh tiếp tục. Nhưng nghiên cứu mới “là một bước tiến nhảy vọt của vật lý lượng tử trong cuộc đua này”.

Ảnh: geralt / 24493 hình ảnh

• Coinsmart. Sàn giao dịch Bitcoin và tiền điện tử tốt nhất Châu Âu.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. TRUY CẬP MIỄN PHÍ.
• CryptoHawk. Radar Altcoin. Dùng thử miễn phí.
• Nguồn: https://singularityhub.com/2022/06/07/a-photonic-quantum-device-took-microseconds-to-do-a-task-a-conventional-computer-would-spend-9000-years- trên/