Что такое квантовое превосходство? И почему это важно?

По | 15.07.2020

Концепция квантовых систем была впервые предложена российским математиком Юрием Маниным в 1980 году. Однако именно Ричард Фейнман задумал возможности квантовых компьютеров в начале 1980-х годов.

Фейнман предположил, что квантовые компьютеры будут эффективными в решении задач химии и физики. Современные компьютеры используют бинарную логику для выполнения задач, но если мы будем использовать правила квантовой механики, многие сложные вычислительные задачи станут возможными.

В 2012 году американский физик-теоретик Джон Прекилл ввел термин «квантовое превосходство», чтобы описать систему, намного более продвинутую, чем классические компьютеры. Он предвещает эпоху шумных квантовых технологий среднего масштаба.

В этой обзорной статье мы объяснили, что изменит «квантовое превосходство», чего достигли технологические компании до сих пор, почему это такая огромная сделка. Давайте начнем с основ.

Что такое квантовое превосходство?

Квантовое превосходство является целью создания квантовой вычислительной системы, которая может решить проблему, которую ни один классический компьютер не может решить за разумное время.

Это включает инженерную задачу по разработке мощной квантовой машины, а также теоретическую задачу по вычислительной сложности для классификации вычислительных задач, которые могут быть решены этим квантовым компьютером.

Квантовое превосходство является важным шагом на пути к более мощным и полезным вычислениям. Было сделано несколько предложений для демонстрации квантового превосходства. Самые известные из них:

  • Выборка выходных случайных квантовых цепей
  • Расстроенные проблемы петли кластера, разработанные D-Wave
  • Предложение по отбору проб бозонов, представленное Ааронсоном и Архиповым

Как мы точно скажем, что квантовое превосходство достигнуто?

Проверка квантового превосходства — одна из самых сложных задач. Это не ядерный взрыв или запуск ракеты, когда вы просто смотрите и мгновенно узнаете, удалось ли это.

Вы должны точно продемонстрировать две вещи, чтобы проверить квантовое превосходство:

  1. Квантовое устройство выполняет вычисления быстро.
  2. Ни один классический компьютер не может эффективно выполнить такой же расчет.

Вторая часть довольно сложная. Оказывается, что классические компьютеры могут выполнять определенные типы задач очень эффективно (лучше, чем ожидают ученые). Пока не доказано, что классический компьютер не может эффективно выполнять определенную задачу, всегда есть вероятность, что существует более эффективный, лучший классический алгоритм. Доказательство того, что такого классического алгоритма не существует, может быть спорным, и это может занять много времени.

Читайте: 12 самых быстрых суперкомпьютеров в мире

Битва за создание квантового компьютера

Уже несколько лет работают квантовые устройства, но они превосходят классические компьютеры только при определенных условиях. Большинство задач, выполняемых этими квантовыми машинами, даже бесполезны в повседневной жизни.

В 2016 году Google разработала полностью масштабируемое квантовое моделирование молекулы водорода, используя 9-кубитный квантовый чип. В 2017 году Intel выпустила 17-кубитовый сверхпроводящий тестовый чип для квантовых вычислений, а IBM подняла планку с 50-кубитным чипом, который мог сохранить свое квантовое состояние в течение 90 микросекунд.

17-кубитовый сверхпроводящий тестовый чип, разработанный Intel

В 2018 году Google представила 72-кубитный процессор под названием Bristlecone, а в 2019 году IBM выпустила первый в мире коммерческий квантовый компьютер на базе схем, IBM Q System One.

D-Wave Systems, хорошо финансируемая канадская компания по квантовым вычислениям, остается исключением. В 2015 году его 2X квантовый компьютер с более чем 1000 кубитами был установлен в лаборатории квантового искусственного интеллекта НАСА. Компания поставляет подпоследовательные системы с 2048 кубитами. Их устройства основаны на альтернативном методе, называемом квантовым отжигом, для решения очень специфических задач.

Читайте: 5 квантовых процессоров с новой вычислительной парадигмой

Большое объявление Google

К концу 2019 года исследователи Google объявили, что достигли квантового превосходства. Они разработали 54-кубитный процессор под названием Sycamore, который выполнял вычисление цели (расчет случайной выборки) за 200 секунд.

По мнению исследовательской группы, для выполнения тех же вычислений классическому суперкомпьютеру потребуется 10000 лет. Это существенное увеличение скорости (по сравнению с классическими алгоритмами) является экспериментальной реализацией квантового превосходства для этой конкретной задачи.

Что они сделали?

Чтобы продемонстрировать квантовое превосходство, Google решил решить конкретную проблему, называемую «случайная выборка схемы». Простым примером этой проблемы является программа для имитации броска честного кубика.

Программа будет работать точно, если она надлежащим образом выберет все возможные результаты. Это означает, что программа должна генерировать каждое число на матрице 1/6 времени, так как оно выполняется многократно.

В реальном сценарии, вместо размещения кристалла, компьютер должен правильно выбирать все возможные выходы случайной квантовой цепи. Эта последовательность действий выполняется на куче кубитов. Когда кубиты проходят через схему, ее состояние становится запутанным (также известным как квантовая суперпозиция).

Например, когда схема действует на 54 кубитах, это приводит к тому, что 54 кубита являются суперпозицией 254 возможные состояния в конце цепи. Это означает, что набор из 254 Возможности сворачиваются в одну строку из 54 бит. Это как бросить кубик, но вместо 6 возможных результатов вы получаете 254 результаты, и не все с одинаковой вероятностью произойдут.

Последовательности выборок из этой случайной схемы (после правильного распределения) могут быть эффективно сгенерированы на квантовых компьютерах. Тем не менее, нет никакого классического алгоритма для производства этих образцов на суперкомпьютерах нового поколения. Поэтому с увеличением количества выборок цифровые суперкомпьютеры быстро перегружаются вычислениями.

В этом эксперименте исследователи Google использовали случайные упрощенные схемы от 12 до 53 кубитов, сохраняя постоянным число циклов затвора (квантовых логических элементов). Затем они использовали классическое моделирование для проверки производительности квантового компьютера и сравнили его с теоретической моделью.

Как только они подтвердили, что система работает правильно, они запустили случайную жесткую схему с 53 кубитами и увеличили циклы затвора, пока не достигли точки, когда классическое моделирование стало неработоспособным.

Процесс демонстрации квантового превосходства | Кредит: Google

Эксперимент проводился на полностью программируемом 54-кубитном чипе Sycamore. Он содержит двумерную сетку, в которой каждый кубит связан с четырьмя другими кубитами, что обеспечивает достаточную связность для состояний кубита (чтобы они мгновенно взаимодействовали по всему процессору) и делает невозможным выполнение тех же вычислений на классических компьютерах.

Для достижения этого уровня производительности они использовали новый тип ручки управления, которая могла отключать взаимодействия между соседними кубитами, значительно уменьшая ошибки в многосвязной системе кубитов. Они также разработали новые контрольные калибровки, чтобы избежать дефектов кубитов, и оптимизировали конструкцию микросхемы для снижения перекрестных помех, что еще больше улучшило производительность квантового чипа.

Действительно ли Google достиг квантового превосходства?

Чип Google Sycamore хранится внутри квантового криостата. Изображение предоставлено: Eric Lucero / Google

Хотя Google утверждал, что достиг квантового превосходства, а классическому суперкомпьютеру для выполнения эквивалентной задачи потребуется около 10 000 лет, IBM оспаривает это утверждение, утверждая, что идеальное моделирование той же задачи может быть выполнено на классическом компьютере за 2,5 дня с большая верность.

Эксперимент Google не следует рассматривать как доказательство того, что квантовые устройства «превосходят» классические компьютеры. Тем не менее, он прекрасно демонстрирует прогресс в области квантовых вычислений на основе сверхпроводимости, демонстрируя новейшие технологии управления версией в системе с 53 кубитами.

Заголовки, которые содержат некоторую вариацию «достигнутого квантового превосходства», привлекательны и интересны для чтения, но они полностью вводят в заблуждение широкую публику.

Согласно определению квантового превосходства, цель не была достигнута. И даже если кто-то продемонстрирует это в ближайшем будущем, квантовые компьютеры никогда не будут господствовать над классическими компьютерами. Вместо этого квантовые системы будут работать вместе с классическими суперкомпьютерами, поскольку каждая из них имеет свои уникальные преимущества и преимущества.

Противоречие Именования

Некоторые ученые не согласны с термином «квантовое превосходство». С их точки зрения, слово «превосходство» имеет оттенок насилия, неоколониализма и расизма через его связь с «белым превосходством». Они предложили использовать альтернативную фразу «квантовое преимущество».

Однако Джон Прескилл, придумавший эту фразу, пояснил, что он хотел подчеркнуть, что это привилегированное время в истории, когда информационные технологии, основанные на квантовых законах, являются восходящими. Он также объяснил, что «квантовое превосходство» лучше всего отражает то, что он хотел передать. В других словах, таких как «преимущество», отсутствует понятие «превосходство».

Приложения и будущее

Недавние достижения в области квантовых вычислений вдохновили целое новое поколение компьютерных ученых и физиков фундаментально изменить аспект информационных технологий.

В настоящее время ученые работают над отказоустойчивыми квантовыми машинами, которые смогут исправлять ошибки вычислений в режиме реального времени, обеспечивая возможность безошибочных квантовых вычислений. Учитывая современное состояние квантовых вычислений, эта цель находится в нескольких годах от реализации.

Технологические компании вкладывают сотни миллионов долларов в разработку отказоустойчивых квантовых устройств как можно быстрее. Однако большой вопрос заключается в том, должны ли квантовые машины быть отказоустойчивыми, прежде чем они смогут выполнить полезную задачу.

Такие машины обещают множество ценных приложений. Например, квантовые вычисления могут улучшить прогнозирование погоды, укрепить кибербезопасность и помочь разработать новый материал для самолетов и легких аккумуляторов транспортных средств. Он может точно отображать отдельные молекулы, что, в свою очередь, потенциально может открыть возможности для фармацевтических исследований.

Это также может оказать сильное влияние на банковский сектор. Квантовые вычисления могут решать финансовые вопросы, связанные с оптимизацией инвестиционной стратегии, которая включает в себя анализ огромного числа комбинаций портфелей для определения наиболее подходящих критериев или выявления мошеннических транзакций.

Читайте: 22 самых интересных фактов о квантовых компьютерах

В настоящее время трудно предсказать, какая отраслевая квантовая обработка данных окажет наибольшее влияние, поскольку она была протестирована для очень ограниченного набора задач. Нам нужно быть терпеливыми в течение нескольких лет (или даже десятилетий), прежде чем мы сможем оценить все великолепие квантовой эры.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *