Что означает квантовый чип Google, выполняющий расчетную задачу на 1000 триллионов лет за 5 минут?

Нерешительность, квантовая механика.

История рождения квантовой механики насчитывает более 120 лет. От эксперимента по интерференции света с двумя щелями до мысленного эксперимента «кот Шредингера» — это, кажется, самый загадочный и глубокий закон физики в нашем воображении. Американский физик-теоретик Ричард Филлипс Фейнман однажды сказал:

Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, вы ее не понимаете.

Несмотря на то, что квантовая механика находится довольно далеко от нас, она также быстро развивается: в 2016 году моя страна успешно запустила экспериментальный квантовый научный спутник «Мози». Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена трем учёным в знак признания их «вклада»; к исследованию «Квантовая информатика».

Google также недавно предпринял большие шаги в области «квантовой механики», которые можно назвать «веховым» нововведением.

Хартмут Невен, основатель и руководитель группы квантового искусственного интеллекта Google «Quantum AI», опубликовал в своем блоге статью, в которой объявил о выпуске своего последнего квантового чипа «Willow» и назвал его крупномасштабным квантовым компьютером, проложившим путь.

В тексте статьи говорится, что этот чип «обладает современными показателями по многим показателям» и «достигает двух основных достижений »:

• Во-первых, Уиллоу увеличила количество используемых «кубитов» (105) и «экспоненциально» уменьшила ошибки;
• Во-вторых, Willow завершила свой последний «тест производительности со случайной выборкой цепей (RCS)» менее чем за 5 минут.

Чтобы понять эти прорывные достижения, мы должны понять, как работают квантовые компьютеры/квантовые чипы.

Одной из основных концепций квантовой механики является «суперпозиция», то есть квантовая система может существовать в нескольких состояниях одновременно. Квантовые компьютеры используют это свойство суперпозиции для создания « кубитов », которые являются ядром квантовых компьютеров. вычислительный блок.

В отличие от двоичных битов в классических компьютерах, кубиты могут одновременно находиться в «состоянии суперпозиции» 0 и 1 . Это состояние позволяет квантовым компьютерам обрабатывать несколько вычислительных путей или состояний одновременно, что делает их быстрее и эффективнее, чем классические компьютеры, при решении определенных сложных задач.

Кроме того, между кубитами существует особая связь, называемая « квантовой запутанностью »: когда кубиты запутаны друг с другом, независимо от того, насколько далеко они находятся, состояние одного кубита немедленно повлияет на состояние другого кубита.

В это время мы можем узнать состояние других кубитов на основе состояния определенного кубита, что также обеспечивает эффект передачи информации. Это свойство позволяет квантовым компьютерам более эффективно обмениваться и передавать информацию при решении сложных задач.

Однако состояние кубитов очень хрупко и легко нарушается внешней средой (температурой, вибрацией, электромагнитным излучением и т. д.), что приводит к потере квантовой информации. Это явление называется « квантовой декогеренцией ». Из-за запутанности ошибки могут распространяться от одного кубита к другим, влияя на вычислительную мощность.

А поскольку кубиты имеют тенденцию быстро обмениваться информацией с окружающей средой, информацию, необходимую для выполнения вычислений, трудно защитить. Как правило, чем больше кубитов использует квантовый компьютер, тем больше возникает ошибок и вся система становится более «классической».

Но согласно тексту, исследователи Google представили новый метод «квантовой коррекции ошибок», который позволяет понять, что чем больше кубитов используется в чипе Willow, тем больше ошибок будет уменьшаться, а частота ошибок будет снижаться в геометрической прогрессии.

Невин сказал в статье, что это историческое достижение, известное в этой области как «подпороговое», заключается в способности увеличивать количество кубитов при одновременном уменьшении ошибок. Невин также подчеркивает, что квантовая коррекция ошибок была чрезвычайно сложной задачей с тех пор, как Питер Шор представил ее в 1995 году.

Следовательно, «ниже порога» может показывать «реальный прогресс в исправлении ошибок», а Уиллоу — первая система ниже порога, которая показывает, что возможность создания очень больших квантовых компьютеров действительно существует. Результаты исследования также были опубликованы в журнале Nature.

Кроме того, в статье утверждалось, что Уиллоу завершила тест случайной выборки цепей (RCS) за 5 минут, который считается «самым сложным классическим эталонным тестом, выполненным на современных квантовых компьютерах», и называла эти последние результаты Уиллоу «лучшими». до сих пор".

Для сравнения, самому быстрому в мире суперкомпьютеру для расчета RCS требуется 10^25 лет, что даже больше, чем возраст Вселенной (около 13,8 миллиардов лет).

Тестирование случайной выборки цепей (RCS) — это метод, используемый для оценки производительности квантовых компьютеров. Основная идея состоит в том, чтобы использовать квантовый компьютер для выполнения случайно выбранных операций с квантовыми вентилями, генерации случайных квантовых состояний, а затем выборки и измерения этих квантовых состояний.

RCS был впервые предложен командой Найвена, и Найвен сказал, что теперь это « общий стандарт в этой области ».

Стоит отметить, что в 2019 году компания Google заявила, что разработанный ею квантовый процессор «Sycamore» может выполнить вычисления всего за три минуты, на выполнение которых у самого быстрого в мире суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. Компания также подчеркнула, что ее исследовательская группа достигла « квантового результата ». превосходство ».

IBM оспорила результаты компьютерных тестов Sycamore, а термин «квантовое превосходство» также вызвал серьезные споры, хотя Google подчеркивает, что этот термин является лишь «художественным термином». Позже Google попыталась избежать использования этого термина, заявив лишь, что она вышла «за рамки классических вычислений».

Кроме того, IBM и Honeywell обычно используют термин «квантовый объем» для описания и количественной оценки своего квантового компьютерного оборудования в своих исследованиях в области квантовой механики, но Google вообще не использует это понятие. Отсутствие единых стандартов затрудняет сравнение конкурирующих продуктов.

Невин сказал, что квантовые технологии используются для сбора данных для обучения ИИ, разработки новых энергетических транспортных средств и открытия новых лекарств.

В то же время он также с нетерпением ждал следующей цели исследования квантовой механики Google: завершить расчет, который одновременно «имеет отношение к реальным программам» и «недостижим для классических компьютеров», действительно «полезен» и «выходит за рамки классики». .

# Добро пожаловать на официальную общедоступную учетную запись WeChat Aifaner: Aifaner (идентификатор WeChat: ifanr). Более интересный контент будет предоставлен вам как можно скорее.

Ай Фанер | Исходная ссылка · Посмотреть комментарии · Sina Weibo