211service.com
Google uważa, że jest blisko supremacji kwantowej. Oto, co to naprawdę oznacza.
Siedemdziesiąt dwa może nie być dużą liczbą, ale pod względem obliczeń kwantowych to ogromna liczba. W tym tygodniu Google odsłonięty Bristlecone, nowy układ do obliczeń kwantowych z 72 bitami kwantowymi, czyli kubitami — podstawowymi jednostkami obliczeniowymi w maszynie kwantowej. Jak pokazuje nasz licznik kubitów i oś czasu, poprzedni rekordzista to zaledwie 50-kubitowy procesor ogłoszony przez IBM w zeszłym roku.
John Martinis, który kieruje pracami Google, mówi, że jego zespół wciąż musi przeprowadzić więcej testów, ale uważa, że jest całkiem prawdopodobne, że w tym roku, być może nawet za kilka miesięcy, nowy chip może osiągnąć supremację kwantową. To moment, w którym komputer kwantowy może wykonywać obliczenia poza zasięgiem najszybszych dzisiejszych superkomputerów.
Kiedy Google lub inny zespół w końcu ogłosi sukces, spodziewaj się powodzi nagłówków o nadejściu nowej i ekscytującej ery. Komputery kwantowe mają nam pomóc odkrywać nowe farmaceutyki i tworzyć nowe materiały, a także postawić kryptografię na głowie.
Ale rzeczywistość jest bardziej skomplikowana. Będziesz miał trudności ze znalezieniem każdego [badacza], który lubi termin „wyższość kwantowa”, mówi Simon Benjamin, ekspert kwantowy z Uniwersytetu Oksfordzkiego. Jest bardzo chwytliwy, ale jest trochę zagmatwany i przesadza, co komputery kwantowe będą w stanie zrobić.
Bloki kwantowe
Aby zrozumieć dlaczego, krótkie tło. W tych kubitach tkwi magia komputerów kwantowych. W przeciwieństwie do bitów w klasycznych komputerach, które przechowują informacje jako albo jeden lub 0 , kubity mogą istnieć w wielu stanach jeden oraz 0 jednocześnie — zjawisko zwane superpozycją. Mogą również wpływać na siebie nawzajem, nawet jeśli nie są fizycznie połączone, w procesie znanym jako splątanie.
Sprowadza się to do tego, że chociaż kilka dodatkowych bitów stanowi tylko niewielką różnicę w stosunku do mocy klasycznego komputera, dodanie dodatkowych kubitów do maszyny kwantowej może wykładniczo zwiększyć jej moc obliczeniową. Dlatego w zasadzie nie potrzeba aż tylu kubitów, aby przewyższyć nawet najpotężniejsze współczesne superkomputery.
Tworzenie kubitów wymaga jednak niesamowitych osiągnięć inżynieryjnych, takich jak budowanie obwodów nadprzewodzących utrzymywanych w temperaturach niższych niż przestrzeń kosmiczna (podejście stosowane przez Google). To konieczne, aby odizolować je od świata zewnętrznego. Zmiany temperatury lub najmniejsze wibracje — zjawisko znane jako hałas — mogą powodować dekoherencję kubitów lub utratę ich kruchego stanu kwantowego. Gdy tak się dzieje, do obliczeń szybko wkradają się błędy.
A im większa liczba kubitów, tym więcej błędów. Można je skorygować za pomocą dodatkowych kubitów lub sprytnego oprogramowania, ale to osłabia moc obliczeniową maszyny. W ciągu ostatnich kilku lat postępy w technologii superchłodzenia i innych obszarach zwiększyły liczbę kubitów, które można skutecznie obracać i nimi zarządzać. Ale pozostaje to ciągła walka między potęgą a złożonością.
Nadzieje na osiągnięcie supremacji kwantowej zostały już wcześniej rozwiane. Przez pewien czas naukowcy sądzili, że wystarczy maszyna z 49 kubitami, ale w zeszłym roku naukowcy z IBM byli w stanie zasymulować 49-kubitowy system kwantowy na konwencjonalnym komputerze (patrz Nowe zwroty na drodze do supremacji kwantowej). Również konwencjonalne komputery nie stoją w miejscu: w szczególności Chiny dużo inwestują w tę technologię i teraz mogą pochwalić się dwoma najpotężniejszymi maszynami na świecie.
Wielki moment Google
Mimo to, mówi Daniel Gottesman z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Kanadzie, chociaż lepsze algorytmy i komputery cyfrowe mogłyby nieco przesunąć próg supremacji, prawdopodobnie wystarczyłoby tylko kilka dodatkowych kubitów, aby maszyna kwantowa naprawdę je prześcignęła. Dzięki 72 kubitom Bristlecone jest mnóstwo siły ognia do zabawy.
Korzystając z Bristlecone, Martinis i jego koledzy planują przeprowadzić test, który ma wykazać supremację kwantową. Ścisła definicja testu porównawczego mówi, że zadanie to powinno być niemożliwe do wykonania przez konwencjonalny komputer. Ale to rodzi drażliwy problem: skąd naprawdę wiesz, czy komputer kwantowy dał poprawną odpowiedź, jeśli nie możesz tego sprawdzić za pomocą komputera, który używa bitów krzemowych?
Aby sobie z tym poradzić, zespół Google planuje przejść na sam brzeg, używając maszyny kwantowej do rozwiązania algorytmu na granicy możliwości dzisiejszych superkomputerów. Możesz również pokazać, że algorytm jest wykładniczo skomplikowany, wyjaśnia Martinis. Dodanie jeszcze jednego kubitu wykroczyłoby wówczas znacznie poza to, co konwencjonalna maszyna mogłaby obsłużyć w rozsądnym czasie.
Gra nazw
Nawet jeśli Google osiągnie magiczny punkt odniesienia, złożoność i koszt zarządzania maszynami kwantowymi ograniczą ich użyteczność.
Chociaż istnieje kilka potencjalnie obiecujących zastosowań, takich jak precyzyjne projektowanie cząsteczek (patrz 10 Breakthrough Technologies 2018), klasyczne maszyny nadal będą lepsze, szybsze i znacznie bardziej ekonomiczne w rozwiązywaniu większości problemów. Jak mówi Benjamin z Oxford University, korzystanie z komputera kwantowego byłoby jak wyczarterowanie jumbo jeta, który przejedzie przez ulicę.
Sugeruje, że zamiast supremacji kwantowej powinniśmy mówić o osiągnięciu niepowtarzalności kwantowej – innymi słowy o konkretnych zadaniach, które mogą wykonać tylko komputery kwantowe. Inni badacze sugerowali takie nazwy, jak przewaga kwantowa lub przewaga kwantowa.
Znaczenie ma semantyka. Technologie, takie jak sztuczna inteligencja, przeszły wiele cykli szumu, zanim naprawdę wystartowały. Istnieje ryzyko, że jeśli oczekiwania będą teraz zbyt wysokie, maszyny kwantowe nie spełnią ich wymagań (patrz Poważne komputery kwantowe w końcu tutaj. Co z nimi zrobimy? ). To może wywołać exodus inwestorów, którzy pompują miliony dolarów w start-upy kwantowe.
Powiązana historia
Powiązana historia Nawet twórca supremacji kwantowej próbuje stłumić szum, który pomógł stworzyć. John Preskill, fizyk teoretyczny z California Institute of Technology, ukuł ten termin w przemówieniu w 2011 roku. W styczniu tego roku opublikował papier w którym powiedział, że obliczenia kwantowe niedługo wejdą w fazę, którą nazwał NISQ, czyli hałaśliwą kwantową fazę pośrednią, w której maszyny będą miały od 50 do kilkuset kubitów. „Głośno”, napisał, oznacza, że nie będziemy mieć doskonałej kontroli nad tymi kubitami; hałas nałoży poważne ograniczenia na to, co urządzenia kwantowe mogą osiągnąć w najbliższym czasie. Preskill powiedział, że nadal jest przekonany, że komputery kwantowe będą miały transformacyjny wpływ na społeczeństwo, ale ta transformacja, przyznaje, może być jeszcze dziesiątki lat.
Problem hałasu jest kwestią sporną. Gil Kalai, profesor Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, kłócił się że wyzwania związane z hałasem są tak wielkie, że uniemożliwią maszyny kwantowe stanie się naprawdę użyteczne. Wielu ekspertów się z tym nie zgadza. Hałasem można zarządzać, mówi Andrew Childs, współdyrektor Wspólnego Centrum Informacji Kwantowej i Informatyki na Uniwersytecie Maryland. Musisz tylko zrozumieć, ile z tego możesz tolerować.
Martinis firmy Google jest również świadomy, że oczekiwaniami należy zarządzać. Algorytm, którego planuje użyć jego zespół, jest bardzo specyficzny do testowania możliwości maszyn kwantowych, a nie do osiągnięcia czegokolwiek praktycznego. Jak tylko dojdziemy do supremacji kwantowej, mówi, będziemy chcieli pokazać, że maszyna kwantowa może zrobić coś naprawdę przydatnego.