Квантовый прорыв

Компания Google представила новый квантовый процессор под названием Willow. Основатель и глава лаборатории Google Quantum AI Хартмут Невен утверждает, что чип значительно превосходит по производительности как современные суперкомпьютеры, так и другие квантовые процессоры.

По данным Google, 105-кубитный процессор Willow выполнил стандартное вычисление-бенчмарк меньше чем за пять минут.

(Прим. ред.: Физически кубиты представляют собой объекты, которые могут находиться в двух квантовых состояниях: одно из них условно обозначают «0», а другое — «1». В некотором смысле, квантовый объект находится одновременно и в том, и в другом состоянии ( суперпозиции).
Элементной базой квантовых компьютеров (то есть, «носителями» кубитов) могут быть ядерные спины атомов фосфора в монокристаллическом кремнии, в молекулах трихлорэтилена, атомы в резонаторах электромагнитного поля.
Квантовые компьютеры будут способны решать задачи, недоступные ни одному из существующих суперкомпьютеров, работающих на классических принципах. Например, за пару секунд-минут такой компьютер сможет прочитать любой шифр.)

Кубиты в центре желтой гирлянды в окружении холодильника(это как раз вся гирлянда)

Одному из самых быстрых в мире на данный момент суперкомпьютеров — в тексте разработчики ссылаются на Frontier — на решение такой задачи потребовалось бы 10 септиллионов лет (то есть 10 в 25 степени). Как отмечают разработчики, это значительно превышает возраст Вселенной.

(Прим. ред.: Вычисление-бенчмарк - это программа или тест, используемый для измерения и сравнения производительности компьютерных систем или их отдельных компонентов, таких как процессоры, видеокарты или жесткие диски

. Основные характеристики вычислений-бенчмарков:

1. Они позволяют сравнивать различные системы или компоненты на основе одинаковых критериев.
2. Цель - определить относительную эффективность или производительность тестируемых систем.
3. Результаты бенчмарков используются как стандарт или точка отсчета для оценки производительности.
4. В сфере информационных технологий бенчмарки помогают выявить узкие места в производительности систем.
5. На основе результатов бенчмарков можно определить, какие компоненты требуют улучшения для повышения общей производительности системы.).

Хартмут Невен подчеркивает, что это число превосходит все известные временные масштабы в физике. По мнению главы лаборатории, это «подтверждает идею о том, что квантовые вычисления происходят во многих параллельных вселенных», а также соответствует гипотезе о мультивселенных, выдвинутой британским физиком Дэвидом Дойчем в его книге «Структура реальности: Наука параллельных вселенных».

Для оценки производительности в Google использовали бенчмарк случайной выборки цепей (Random Circuit Sampling, RCS), который показывает, насколько хорошо квантовый компьютер справляется с задачами, которые не под силу обычным вычислительным системам. Этот тест разработала сама компания для демонстрации квантового превосходства. При этом не уточняется, как Willow работает с фундаментальными задачами в области квантовых вычислений, например, с алгоритмом Шора.

В рамках RCS из случайного набора логических операций генерируется квантовая схема, которая затем запускается на квантовом компьютере. Цепи разработаны таким образом, чтобы затруднить моделирование их поведения на обычном компьютере. Если результаты вычислений близки или совпадают с результатами классического моделирования, то задача считается выполненной. Если квантовый компьютер выполняет тест RCS быстрее, чем классический, то считается, что он достиг квантового превосходства.

Однако главное преимущество Willow заключается не в производительности. Разработчики утверждают, что им удалось снизить частоту ошибок по мере масштабирования с использованием большего числа кубитов. В Google подчеркивают, что ученые пытались решить эту задачу почти 30 лет.

Ошибки при квантовых вычислениях возникают по нескольким причинам. Например, из-за внешних факторов — это так называемый «шум» (к которому относится, например, электромагнитное излучение), который способен повлиять на точность вычислений. Или декогеренции, то есть нарушения согласованности колебательных или волновых процессов во времени. Методика Quantum Error Correction (QEC) предназначена для исправления подобных ошибок.

Разработчики из Google отмечают, что обычно чем больше кубитов используется, тем больше будет возникать ошибок. В этом случае система будет больше походить на классическую. В случае с чипом Willow разработчикам удалось добиться экспоненциального снижения частоты ошибок. По их словам, они тестировали разные массивы физических кубитов, постепенно масштабируя сетку закодированных кубитов, и каждый раз им удавалось сокращать частоту ошибок вдвое. В Google утверждают, что это первая система, которая продемонстрировала показатели ниже пороговых значений.

Рост количества ошибок при масштабировании системы считается серьезным препятствием на пути к созданию полноценного квантового компьютера. Его основная мощность в данном случае имеет второстепенное значение. 105 кубитов — не рекорд для квантового чипа. Например, IBM в 2023 году создала 1000-кубитный чип. Однако тогда сами разработчики признали, что хотят сфокусироваться на разработке более мелких чипов, чтобы снизить количество ошибок.

«Мы фокусируемся на качестве, а не только на количестве, потому что простое производство большего количества кубитов не поможет, если они недостаточно высокого качества», — отметил Хартмут Невен. По его словам, Willow демонстрирует лучшую в своем классе производительность по двум системным тестам — RCS и QEC.

Это открывает новые возможности для разработчиков, которые теперь надеются выполнить первое практическое вычисление. В случае успеха Google сможет выполнять реальные, коммерчески значимые задачи, обладая при этом вычислительной мощностью, недоступной классическим компьютерам.

«Мои коллеги иногда спрашивают меня, почему я оставил активно развивающуюся область ИИ и сосредоточился на квантовых вычислениях, — рассказывает Хартмут Невен. — Я отвечаю, что оба направления предложат самые революционные технологии нашего времени, но продвинутый ИИ значительно выиграет от доступа к квантовым вычислениям».

Глава Google Quantum AI уверен, что совместное развитие квантовых вычислений и искусственного интеллекта откроет новые возможности для дальнейших исследований в разных областях. Например, ученые смогут разрабатывать новые лекарства или проектировать более эффективные батареи для электрических автомобилей. Кроме того, квантовые вычисления помогут ускорить прогресс в области термоядерного синтеза и в целом в альтернативной энергетике.

Чип Willow пока на такое не способен. Но его появление в Google называют важнейшим шагом на пути к тому, чтобы квантовые процессоры начали приносить практическую пользу.

См. по этой теме

Запутанная история | https://lebed.com/2018/7218.htm