Komputer kwantowy oraz osiągnięcia w dziedzinie mechaniki kwantowej stanowią dla ludzkości przyszłość o niesamowitym potencjale. Naukowcy z UC Santa Barbara oraz grupa naukowców Google’a mogą się pochwalić nowymi wynikami na drodze osiągnięcia tak zwanej supremacji kwantowej. Używając 53 splątanych bitów kwantowych („kubitów”), ich komputer Sycamore podjął i rozwiązał problem uważany za trudny do rozwiązania w przypadku klasycznych komputerów. Jest to ogromne osiągnięcie w tej dziedzinie, a możliwości do których to prowadzi są nieograniczone.
„Obliczenia, które zajęłyby 10 000 lat w przypadku klasycznego superkomputera, zajęły 200 sekund na naszym komputerze kwantowym” – powiedział Brooks Foxen, doktorant z Martinis Group. „Jest prawdopodobne, że klasyczny czas symulacji, obecnie szacowany na 10 000 lat, zostanie skrócony dzięki ulepszonemu klasycznemu sprzętowi i algorytmom, ale skoro jesteśmy obecnie 1,5 biliona razy szybsi, nie mamy nic przeciwko temu.”
Osiągnięcie jest opisane w artykule w czasopiśmie Nature.
Dlaczego komputer kwantowy?
Kamień milowy nastąpił po około dwudziestu latach badań w dziedzinie obliczeń kwantowych przeprowadzonych przez Martinisa i jego grupę, od opracowania pojedynczego kubitu nadprzewodzącego po systemy obejmujące architekturę 72, wraz z Sycamore, 54 kubitami, które wykorzystują budzące podziw, dziwne właściwości mechaniki kwantowej.
„Algorytm został wybrany, aby podkreślić mocne strony komputera kwantowego poprzez wykorzystanie naturalnej dynamiki urządzenia” – powiedział Ben Chiaro, inny doktorant w grupie Martinis. Oznacza to, że badacze chcieli przetestować zdolność komputera do przechowywania i szybkiego manipulowania ogromną ilością złożonych, nieuporządkowanych danych.
„Zasadniczo chcieliśmy stworzyć stan splątania obejmujący wszystkie nasze kubity tak szybko, jak to możliwe” – powiedział Foxen – i dlatego zdecydowaliśmy się na sekwencję operacji, które wytworzyły skomplikowany stan superpozycji, który po zmierzeniu zwraca łańcuch bitów z prawdopodobieństwem określonym przez konkretną sekwencję operacji zastosowanych do przygotowania tej konkretnej superpozycji. Ćwiczenie, które miało sprawdzić, czy moc wyjściowa obwodu odpowiada równaniu zastosowanemu do przygotowania stanu, próbkowało obwód kwantowy milion razy w ciągu zaledwie kilku minut, badając wszystkie możliwości – zanim system straci swoją spójność kwantową.
Złożony stan superpozycji
„Przeprowadziliśmy stały zestaw operacji, które wplątują 53 kubity w złożony stan superpozycji” – wyjaśnił Chiaro. „Ten stan superpozycji koduje rozkład prawdopodobieństwa. W przypadku komputera kwantowego przygotowanie tego stanu superpozycji odbywa się poprzez zastosowanie sekwencji dziesiątek impulsów kontrolnych do każdego kubitu w ciągu kilku mikrosekund. Możemy przygotować, a następnie pobrać próbki z tego rozkładu, mierząc kubity milion razy w 200 sekund. ”
„W przypadku klasycznych komputerów znacznie trudniej jest obliczyć wynik tych operacji, ponieważ wymaga to obliczenia prawdopodobieństwa, że znajdzie się w jednym z 2 ^ 53 możliwych stanów, gdzie 53 pochodzi z liczby kubitów – skalowanie wykładnicze dlatego ludzie są zainteresowani obliczeniami kwantowymi na początku ”- powiedział Foxen. „Odbywa się to przez mnożenie macierzy, co jest kosztowne dla klasycznych komputerów, ponieważ matryce stają się duże”.
Komputer kwantowy u progu?
Według nowej pracy naukowcy zastosowali metodę zwaną testowaniem porównawczym entropii, aby porównać moc wyjściową obwodu kwantowego („ciąg bitów”) z jego „odpowiadającym idealnym prawdopodobieństwem, obliczonym za pomocą symulacji na klasycznym komputerze”, aby upewnić się, że komputer kwantowy działa poprawnie.
„Przy opracowywaniu naszego procesora dokonaliśmy wielu wyborów projektowych, które są naprawdę korzystne” – powiedział Chiaro. Wśród tych zalet, powiedział, jest zdolność do eksperymentalnego dostrajania parametrów poszczególnych kubitów, a także ich interakcji.
Chociaż eksperyment został wybrany jako dowód koncepcji komputera, badania zaowocowały bardzo realnym i cennym narzędziem: certyfikowanym generatorem liczb losowych. Przydatne w różnych dziedzinach, liczby losowe mogą zapewnić, że nie można odgadnąć zaszyfrowanych kluczy lub że próbka z większej populacji jest naprawdę reprezentatywna, co prowadzi do optymalnych rozwiązań złożonych problemów i bardziej niezawodnych aplikacji uczenia maszynowego. Szybkość, z jaką obwód kwantowy może wytwarzać losowy ciąg bitów, jest tak duża, że nie ma czasu na analizę i „oszukiwanie” układu.
„Mechanizmy kwantowe robią rzeczy, które wykraczają poza nasze codzienne doświadczenie, a zatem mogą potencjalnie zapewniać możliwości i aplikacje, które w innym przypadku byłyby nieosiągalne” – powiedział Joe Incandela, wicekanclerz UC Santa Barbara ds. Badań. „Zespół wykazał zdolność do niezawodnego tworzenia i wielokrotnego próbkowania skomplikowanych stanów kwantowych z udziałem 53 splątanych elementów w celu przeprowadzenia ćwiczenia, które zajęłoby tysiąclecia w przypadku klasycznego superkomputera. To duże osiągnięcie. Jesteśmy na progu nowej ery zdobywania wiedzy ”.
Przyszłość technologii
Osiągnięcie, takie jak „supremacja kwantowa”, kusi nas, aby pomyśleć, że badacze z UC Santa Barbara / Google posadzą flagę i odpoczną. Ale dla Foxena, Chiaro, Martinisa i reszty grupy UCSB / Google AI Quantum to dopiero początek.
„To rodzaj ciągłego doskonalenia” – powiedział Foxen. „W pracach zawsze są projekty”. W najbliższym czasie dalsze ulepszenia tych „hałaśliwych” kubitów mogą umożliwić symulację interesujących zjawisk w mechanice kwantowej, takich jak termalizacja lub ogromna ilość możliwości w dziedzinie materiałów i chemii.
W dłuższej perspektywie naukowcy zawsze starają się poprawić czasy koherencji lub z drugiej strony, wykryć i naprawić błędy, co wymagałoby sprawdzenia wielu dodatkowych kubitów. Wysiłki te prowadzone są równolegle do projektowania i budowy samego komputera kwantowego i zapewniają naukowcom dużo pracy, zanim osiągną kolejny kamień milowy.
„To był zaszczyt i przyjemność być związanym z tym zespołem” – powiedział Chiaro. „To świetna kolekcja silnych współpracowników technicznych z doskonałym przywództwem, a cały zespół naprawdę dobrze współdziała”.
Google i jego supremacja kwantowa
,,Fizycy mówią o mocy obliczeń kwantowych od ponad 30 lat, ale pytania zawsze brzmiały: czy kiedykolwiek zrobi coś pożytecznego i czy warto w nie inwestować? W przypadku tak dużych przedsięwzięć dobrą praktyką inżynierską jest formułowanie decydujących krótkoterminowych celów, które pokazują, czy projekty idą we właściwym kierunku. Dlatego opracowaliśmy eksperyment jako ważny kamień milowy, aby pomóc odpowiedzieć na te pytania. Eksperyment ten, zwany eksperymentem supremacji kwantowej, zapewnił naszemu zespołowi kierunek przezwyciężenia wielu technicznych problemów związanych z inżynierią systemów kwantowych, aby komputer był programowalny i potężny. Aby przetestować całkowitą wydajność systemu, wybraliśmy wrażliwy test porównawczy, który zawodzi, jeśli tylko jeden element komputera nie jest wystarczająco dobry.” – pisze Google w swoim artykule.
Jak to obrazuje Google:
,,Aby zrozumieć, jak działa ten test porównawczy, wyobraź sobie entuzjastycznych neofitów zajmujących się komputerami kwantowymi odwiedzających nasze laboratorium w celu uruchomienia algorytmu kwantowego na naszym nowym procesorze. Potrafią komponować algorytmy z małego słownika podstawowych operacji na bramkach. Ponieważ każda brama ma prawdopodobieństwo błędu, nasi goście chcieliby ograniczyć się do skromnej sekwencji z około tysiącem bramek ogółem. Zakładając, że ci programiści nie mają wcześniejszego doświadczenia, mogą stworzyć coś, co zasadniczo wygląda jak losowa sekwencja bramek, które można by uznać za program „hello world” dla komputera kwantowego. Ponieważ w przypadkowych obwodach nie ma żadnej struktury, którą mogłyby wykorzystać klasyczne algorytmy, emulacja takich obwodów kwantowych zazwyczaj wymaga ogromnej ilości wysiłku klasycznego superkomputera.
Każdy przebieg losowego obwodu kwantowego na komputerze kwantowym wytwarza ciąg bitów, na przykład 0000101. Z powodu interferencji kwantowych niektóre ciągi bitów są znacznie bardziej prawdopodobne niż inne, gdy powtarzamy eksperyment wiele razy. Jednak znalezienie najbardziej prawdopodobnych ciągów bitów dla losowego obwodu kwantowego na klasycznym komputerze staje się wykładniczo trudniejsze wraz ze wzrostem liczby kubitów (szerokość) i liczby cykli bramkowania (głębokość).
Proces supremacji kwantowej
W eksperymencie najpierw uruchomiliśmy losowe uproszczone obwody od 12 do 53 kubitów, utrzymując stałą głębokość obwodu. Sprawdziliśmy wydajność komputera kwantowego za pomocą klasycznych symulacji i porównaliśmy z modelem teoretycznym. Po sprawdzeniu, że system działa, uruchomiliśmy losowe obwody twarde z 53 kubitami i rosnącą głębokością, aż do osiągnięcia punktu, w którym klasyczna symulacja stała się niemożliwa.
Oszacowanie równoważnego klasycznego czasu obliczeń przy założeniu 1M rdzeni procesora dla obwodów supremacji kwantowej w funkcji liczby kubitów i liczby cykli dla algorytmu Schrödingera-Feynmana. Gwiazda pokazuje szacowany czas obliczeń dla największych obwodów eksperymentalnych.
Wynik ten jest pierwszym eksperymentalnym wyzwaniem przeciwko rozszerzonej tezie Church-Turinga, która stwierdza, że klasyczne komputery mogą skutecznie wdrożyć każdy „rozsądny” model obliczeń. Dzięki pierwszym obliczeniom kwantowym, których nie można racjonalnie emulować na klasycznym komputerze, otworzyliśmy nową dziedzinę obliczeń do zbadania.
Procesor Sycamore
Eksperyment kwantowej supremacji przeprowadzono na w pełni programowalnym 54-kubitowym procesorze o nazwie „Sycamore”. Składa się on z dwuwymiarowej siatki, w której każdy kubit jest połączony z czterema innymi kubitami. W rezultacie układ ma wystarczającą łączność, aby stany qubit szybko współdziałały w całym procesorze, uniemożliwiając efektywną emulację ogólnego stanu za pomocą klasycznego komputera.
Powodzenie eksperymentu kwantowej supremacji wynikało z naszych ulepszonych bram dwububitowych o zwiększonej równoległości, które niezawodnie osiągają rekordową wydajność, nawet przy jednoczesnym obsługiwaniu wielu bram. Osiągnęliśmy tę wydajność za pomocą nowego rodzaju pokrętła sterującego, które jest w stanie wyłączyć interakcje między sąsiadującymi kubitami. To znacznie zmniejsza błędy w tak połączonym systemie kubitowym. Osiągnęliśmy dalszy wzrost wydajności, optymalizując układ czipów w celu zmniejszenia przesłuchu oraz opracowując nowe kalibracje kontrolne, które unikają wad kubitowych.
Obwód zaprojektowaliśmy w dwuwymiarowej kwadratowej siatce, przy czym każdy kubit jest podłączony do czterech innych kubitów. Ta architektura jest również kompatybilna w przód dla implementacji kwantowej korekcji błędów. Widzimy nasz 54-qubit Sycamore procesor jako pierwszy z serii coraz mocniejszych procesorów kwantowych.”
W eksperymencie najpierw uruchomiono losowe uproszczone obwody od 12 do 53 kubitów, utrzymując stałą głębokość obwodu. Sprawdzono wydajność komputera kwantowego za pomocą klasycznych symulacji i porównaliśmy z modelem teoretycznym. Po sprawdzeniu, że system działa, uruchomiliśmy losowe obwody twarde z 53 kubitami i rosnącą głębokością, aż do momentu, w którym klasyczna symulacja stała się niemożliwa.
Budowa procesora Sycamore
Eksperyment kwantowej supremacji przeprowadzono na w pełni programowalnym 54-kubitowym procesorze o nazwie „Sycamore”. Składa się on z dwuwymiarowej siatki, w której każdy kubit jest połączony z czterema innymi kubitami. W rezultacie układ ma wystarczającą łączność, aby stany kubitowe szybko współdziałały w całym procesorze, umożliwiając efektywną emulację ogólnego stanu za pomocą klasycznego komputera.
Powodzenie eksperymentu kwantowej supremacji wynikało z ulepszonych bram dwububitowych o zwiększonej równoległości, które niezawodnie osiągają rekordową wydajność, nawet przy jednoczesnym obsługiwaniu wielu bram. Wydajność osiągnięto za pomocą nowego rodzaju pokrętła sterującego, które jest w stanie wyłączyć interakcje między sąsiadującymi kubitami. To znacznie zmniejsza błędy w tak połączonym systemie kubitowym. Dalszy wzrost wydajności był możliwy dzięki optymalizacji układu czipów w celu zmniejszenia przesłuchu oraz opracowując nowe kalibracje kontrolne, które unikają wad kubitowych.
Obwód zaprojektowano w dwuwymiarowej kwadratowej siatce, przy czym każdy kubit jest podłączony do czterech innych kubitów. Ta architektura jest również kompatybilna dla implementacji kwantowej korekcji błędów. Google traktuje 54-kubitowy Sycamore jako pierwszy z serii coraz to mocniejszych procesorów kwantowych.
Praktyczne zastosowanie komputerów kwantowych
Komputer kwantowy Sycamore jest w pełni programowalny i może obsługiwać algorytmy kwantowe ogólnego zastosowania. Od czasu osiągnięcia wyników supremacji kwantowej zespół Google’a pracował już nad aplikacjami krótkoterminowymi, w tym między innymi z symulacją fizyki kwantowej i chemii kwantowej, a także nad nowymi aplikacjami w generatywnym uczeniu maszynowym.
Zespół stworzył również pierwszy, bardzo przydatny algorytm kwantowy do zastosowań informatycznych: certyfikowana losowość kwantowa. Losowość jest ważnym zasobem w informatyce, a losowość kwantowa jest złotym standardem, szczególnie jeśli liczby mogą być sprawdzane (certyfikowane) w celu uzyskania komputera kwantowego. Testowanie tego algorytmu jest w toku, a w najbliższych miesiącach planuje się wdrożenie go w prototypie, który może zapewnić certyfikowane liczby losowe.
Zespół ma przed sobą dwa główne cele, oba dotyczące znalezienia cennych zastosowań w obliczeniach kwantowych. Po pierwsze, w przyszłości pojawią się procesory najwyższej klasy dostępne współpracownikom i badaczom akademickim, a także firmom zainteresowanym opracowywaniem algorytmów i wyszukiwaniem aplikacji dla dzisiejszych procesorów NISQ. Kreatywni badacze są najważniejszym zasobem innowacji – teraz, gdy pojawił się nowy zasób obliczeniowy, więcej badaczy wejdzie na pole motywacji, próbując wynaleźć coś pożytecznego.
Po drugie, wdrożenie ogromnych inwestycji w budowę odpornego na uszkodzenia komputer kwantowy. Takie urządzenie obiecuje wiele cennych aplikacji. Możemy na przykład wyobrazić sobie obliczenia kwantowe pomagające zaprojektować nowe materiały – lekkie akumulatory do samochodów i samolotów, nowe katalizatory, które mogą produkować nawozy bardziej wydajnie (proces, który dziś wytwarza ponad 2% światowej emisji dwutlenku węgla) oraz bardziej skuteczne leki. Osiągnięcie niezbędnych zdolności obliczeniowych nadal będzie wymagało lat ciężkiej pracy inżynieryjnej i naukowej.
Cóż. Cały temat może wydać się zawiły i wielopoziomowy…bo tak rzeczywiście jest. Jednak najważniejszą informacją dla całej ludzkości jest to, że udało się nam wykonać kolejny krok do przodu na drodze ewolucji technologicznej. Komputery kwantowe jeszcze nie tak dawno temu, stanowiły tylko fikcyjne idee, które traktowano raczej jako materiał na dobry film sci-fi, a nie na najnowszą wyżynę cywilizacji, która jak się okazuje, leży w zasięgu ręki.
Co sądzicie o takich możliwościach? Należycie do osób, które popierają tak gwałtowny rozwój czy raczej uważacie, że świat powinien zachować większy dystans do technologii? Dajcie nam znać, a w razie potrzeby zamieście w komentarzach swoje pytania. W razie niejasności, służymy odpowiedzią w przeciągu 1-ego dnia 🙂
