Calculează cuantic există cu adevărat? Se potrivește că, timp de zeci de ani, acest câmp a fost bântuit de incertitudinea fundamentală dacă, în cele din urmă, s-ar dovedi a fi o goană sălbatică de gâscă. Însă Google a prăbușit această superpoziție neplăcută, cercetând nu numai că demonstrează ceea ce se numește „supremație cuantică”, ci mai important arătând că aceasta este doar începutul a ceea ce vor putea fi în cele din urmă computerele cuantice.

Este, prin toate indicațiile, un punct important în calcul, dar este, de asemenea, foarte ezoteric și tehnic în multe privințe. Considerăm, totuși, că în anii 60, decizia de a construi calculatoare cu tranzistoare electronice trebuie să fi părut mai degrabă un punct ezoteric. Totuși, acesta a fost într-un fel catalizatorul întregii epoci informaționale.

Cei mai mulți dintre noi nu am avut norocul să fim implicați cu acea decizie sau să înțelegem de ce era important la vremea respectivă. Avem norocul să fim aici acum, dar înțelegerea necesită un pic de explicații. Cel mai bun loc pentru a începe este probabil cu pionierii în calcul și fizică, Alan Turing și Richard Feynman.

„Pentru că natura nu este clasică, naiba”

Mașina universală de calcul, concepută de Turing și de alții din generația sa, a fost adusă la bun sfârșit în timpul și după cel de-al Doilea Război Mondial, progresând de la tuburile de vid până la tranzistoarele construite manual până la chipsurile dens ambalate pe care le avem astăzi. Cu el a evoluat o idee de calcul care a spus în esență: Dacă poate fi reprezentat prin numere, îl putem simula.

Asta însemna că formarea norului, recunoașterea obiectelor, sinteza vocală, geometria 3D, matematica complexă – tot ce și mai multe s-ar putea realiza, cu suficientă putere de calcul, pe mașinile standard de stocare a procesorului-RAM care au devenit standard.

Dar existau excepții. Și deși unele erau lucruri obscure precum paradoxurile matematice, a devenit clar pe măsură ce câmpul fizicii cuantice a evoluat că poate fi unul dintre ele. Feynman a propus la începutul anilor 80 că dacă doriți să simulați un sistem cuantic, veți avea nevoie de un sistem cuantic pentru a face acest lucru.

„Nu sunt mulțumit de toate analizele care merg doar cu teoria clasică, pentru că natura nu este clasică, naibii și, dacă doriți să faceți o simulare a naturii, ar fi bine să o faceți cuantică”, a concluzionat el , în felul său inimitabil. Calculatoarele clasice, după cum considera că ceea ce toți ceilalți numeau doar computere, nu erau suficiente pentru sarcină.

GettyImages Feynman

Richard Feynman a făcut apelul corect, se dovedește.

Problema? Nu exista un computer cuantic și nimeni nu avea nici cea mai mică idee cum să construiască unul. Dar manevra fusese aruncată și a fost ca un catnip pentru teoreticieni și informaticieni, care de atunci au prins ideea.

S-ar putea ca, cu suficientă putere de calcul obișnuită, puterea pe Feynman să-și imagineze cu greu – centrele de date cu yottabytes de stocare și exaflop-uri de procesare – putem simula natura până la cele mai mici și mai înspăimântătoare niveluri?

Sau ar putea fi faptul că, cu unele tipuri de probleme, ați lovit un zid și că puteți pune fiecare computer pe Pământ la o sarcină, iar bara de progres va bifa doar un punct procentual într-un milion de ani, dacă asta?

Și, dacă este cazul, este așa posibil să creezi un computer de lucru care să poată rezolva această problemă într-un timp rezonabil?

Pentru a dovedi că Feynman este corect, ar trebui să răspunzi la toate aceste întrebări. Trebuie să arătați că există o problemă care nu este doar dificilă pentru calculatoarele obișnuite, dar care este efectiv imposibil pentru ei să rezolve chiar și la niveluri incredibile de putere. Și ar trebui să teoretizezi nu numai crea un computer nou care nu doar că poate, dar rezolvă aceeași problemă.

Procedând astfel, nu ai demonstra doar o teorie, ai deschide o clasă cu totul nouă de rezolvare a problemelor, de teorii care pot fi testate. Ar fi un moment în care un câmp cu totul nou al computerei a imprimat cu succes „salut lume” și a fost deschis pentru toată lumea din lume. Și asta sunt cercetătorii de la Google iar NASA susțin că s-au realizat.

În care sărim peste cum funcționează totul

echipa Google cuantică

Unul dintre calculatoarele cuantice în cauză. Am vorbit o vreme cu acel coleg în pantaloni scurți despre amperi și atenuatoare cu microunde.

S-a scris deja mult despre cum diferă calculul cuantic de calculul tradițional și voi publica în curând o altă poveste care va detalia abordarea Google. Dar unele elemente de bază sunt menționate aici.

Calculatoarele clasice sunt construite în jurul tranzistorilor care, prin menținerea sau eliberarea unei taxe, semnifică fie un 1, fie un 0. Prin legarea acestor tranzistoare împreună în formațiuni mai complexe, acestea pot reprezenta date sau le pot transforma și combina prin intermediul porților logice precum AND și NOR. Cu un limbaj complex specific calculatoarelor digitale care a evoluat de zeci de ani, îi putem face să facă tot felul de lucruri interesante.

Calculatoarele cuantice sunt de fapt destul de asemănătoare prin faptul că au o unitate de bază pe care au logică pentru a efectua diverse sarcini. Diferența este că unitatea este mai complexă: un qubit, care reprezintă un spațiu matematic mult mai complex decât doar 0 sau 1. În schimb, puteți crede că starea lor poate fi gândită ca o locație pe o sferă, un punct în spațiul 3D . Logica este, de asemenea, mai complicată, dar totuși relativ de bază (și de ajutor încă numită porți): Acest punct poate fi ajustat, răsucit și așa mai departe. Cu toate acestea, qubit-ul atunci când este observat este, de asemenea, digital, oferind ceea ce reprezintă o valoare 0 sau 1.

În virtutea reprezentării unei valori într-un spațiu matematic mai bogat, aceste picături și manipulări ale acestora pot îndeplini sarcini noi și interesante, inclusiv unele pe care, așa cum arată Google, nu aveam abilitatea de a le face înainte.

Un cuant de confruntare

Pentru a îndeplini sarcina tripartită rezumată mai sus, mai întâi echipa a trebuit să găsească o sarcină pe care calculatoarele clasice le-a găsit dificilă, dar care ar trebui să fie relativ ușor pentru un computer cuantic de făcut. Problema pe care s-au soluționat este într-un mod risipit: Fiind un computer cuantic.

Într-un fel te face să vrei să nu mai citești doar, nu? Desigur, un computer cuantic va fi mai bun în a fi el însuși decât va fi un computer obișnuit. Dar nu este chiar atât de simplu.

Gândiți-vă la o piesă electronică veche, excelentă – un Atari 800. Sigur, este foarte bun să fie el însuși și să funcționeze programele sale etc. Dar orice computer modern poate simula un Atari 800 atât de bine încât ar putea rula aceste programe în ordine de mărime mai puțin timp. Pentru asta, un computer modern poate fi simulat de un supercomputer în același mod.

În plus, există deja modalități de a simula calculatoarele cuantice – acestea au fost dezvoltate în tandem cu hardware-ul cuantic real, astfel încât performanța poate fi comparată cu teoria. Aceste simulatoare și hardware-ul pe care le simulează diferă mult și au fost îmbunătățite foarte mult în ultimii ani, deoarece calculul cuantic a devenit mai mult decât un hobby pentru marile companii și instituțiile de cercetare.

Qubit zăbrele

Acest lucru arată „zăbreala” de rabaturi întrucât au fost conectate în timpul experimentului (colorate în funcție de cantitatea de eroare pe care au contribuit-o, despre care nu trebuie să știți.)

Pentru a fi specific, problema a fost simulând ieșirea unei secvențe aleatoare de porți și cheburi într-un computer cuantic. Pe scurt, când un circuit de qubits face ceva, rezultatul este, ca și alte computere, o secvență de 0s și 1s. Dacă nu calculează ceva în special, aceste numere vor fi aleatorii – dar, în mod crucial, sunt „aleatorii” într-un mod foarte specific, previzibil.

Gândiți-vă la o minge de pachinko care se încadrează prin mănușa sa de pini, găuri și rampe. Calea pe care o face este aleatorie într-un fel, dar dacă aruncați 10.000 de bile din aceeași poziție în același labirint, vor exista modele în care ies în partea de jos – o răspândire a probabilităților, poate mai mult în centru. și mai puțin la margini. Dacă ați simula acea mașină pachinko pe un computer, puteți testa dacă simularea dvs. este exactă, comparând ieșirea de 10.000 picături virtuale cu cele 10.000 reale.

Este la fel cu simularea unui computer cuantic, deși destul de complex. În cele din urmă, însă, computerul face același lucru: simularea unui proces fizic și prezicerea rezultatelor. Și la fel ca simulatorul pachinko, exactitatea acestuia poate fi testată rulând realul și comparând aceste rezultate.

Dar la fel cum este mai ușor să simulezi o mașină pachinko simplă decât una complexă, este mai ușor să simulezi o mână de picături decât multe dintre ele. La urma urmei, picăturile sunt deja complexe. Și atunci când veți pune întrebări de interferență, ușoare erori și în ce direcție ar urma, etc., există, de fapt, atât de mulți factori pe care Feynman a decis la un moment dat, nu veți fi capabili să le dați socoteală pentru toți. Și la acel moment, ai fi intrat pe tărâmul în care numai un computer cuantic poate face acest lucru – tărâmul „supremației cuantice”.

Vă rog exponențial și faceți-l dublu

După 1.400 de cuvinte, există fraza pe care toți ceilalți o pun corect în titlu. De ce? Deoarece supremația cuantică poate părea grozavă, dar este doar o mică parte din ceea ce s-a realizat și, de fapt, acest rezultat, în special, poate să nu dureze pentru totdeauna, ca exemplu de atingere a acestor înălțimi înalte. Dar să continuăm.

Așadar, configurația Google a fost simplă. Configurați circuite de cbits create la întâmplare, atât în ​​calculatorul cuantic, cât și în simulator. Începeți simplu cu câteva cbite făcând o mână de cicluri operaționale și comparați timpul necesar pentru a produce rezultate.

Rețineți că simulatorul nu funcționează pe un laptop de lângă calculatorul cuantic de dimensiunea frigiderului, ci pe Summit – un supercomputer de la Oak Ridge National Lab este evaluat în prezent cel mai puternic sistem de procesare unic din lume, și nu puțin. Are 2,4 milioane de nuclee de procesare, puțin sub 3 petabytes de memorie și lovește aproximativ 150 de petaflops.

În aceste faze incipiente, simulatorul și computerul cuantic au fost de acord cu fericire – numerele pe care le-au scos, probabilitatea s-au extins, au fost aceleași, mereu.

Însă, pe măsură ce s-au adăugat mai multe cbits și mai multă complexitate la sistem, timpul cu care simulatorul a durat să-și producă predicția a crescut. Asta este de așteptat, la fel ca o mașină pachinko mai mare. La început, perioadele pentru executarea efectivă a calculului și simularea acestuia ar fi putut fi comparabile – câteva secunde sau minute. Însă aceste numere au crescut în curând oră cu oră, în timp ce își desfășurau drumul până la 54 de biți.

Când a ajuns la punctul în care a necesitat simulatorul cinci ore pentru a verifica rezultatul cuantic al computerului, Google și-a schimbat poziția. Deoarece mai multe cbituri nu este singura modalitate în care calcularea cuantică devine mai complexă (și, în plus, nu au mai putut adăuga hardware-ul lor actual). În schimb, au început să efectueze mai multe runde de operații cu un circuit dat, ceea ce adaugă tot felul de complexități la simulare din mai multe motive pe care nu le puteam explica.

Pentru calculatorul cuantic, făcând o altă rundă de calcule durează o fracție de secundă și chiar înmulțit de mii de ori pentru a obține numărul necesar de rulări pentru a produce numere de probabilitate utilizabile, a sfârșit să ia mașina câteva secunde în plus.

diagramă feyn schroed

Știți că este real, deoarece există un grafic. Linia punctată (adăugată de mine) este calea aproximativă pe care a luat-o echipa, adăugând mai întâi qubits (axa x) și apoi complexitatea (axa y).

Pentru simulator, verificarea acestor rezultate a durat o săptămână – a săptămână, pe cel mai puternic computer din lume.

În acel moment, echipa a trebuit să înceteze să mai efectueze testarea simulatorului, deoarece consumă atât de mult timp și costisitor. Totuși, nimeni nu a pretins cu adevărat că a obținut „supremația cuantică”. La urma urmei, s-ar putea să fi luat cel mai mare computer clasic creat vreodată de mii de ori mai mult, dar tot se făcea.

Așa că au pornit cadranul în sus cu alte crestături. 54 de bituri, care făcea 25 de cicluri, au preluat sistemul Sycamore al Google 200 de secunde. Extrapolând din rezultatele sale anterioare, echipa a estimat că va dura Summit-ul de 10.000 de ani.

Ceea ce s-a întâmplat este ceea ce echipa a numit dubla creștere exponențială. Se pare că adăugarea de qubits și cicluri la un computer cuantic adaugă câteva microsecunde sau secunde de fiecare dată – o creștere liniară. Dar fiecare qubit pe care îl adăugați unui sistem simulat face ca simularea să fie rulată exponențial mai costisitor și este aceeași poveste cu ciclurile.

Imaginează-ți dacă ar trebui să faci orice număr de push-up-uri am făcut, pătrat, apoi din nou pătrat. Dacă aș face 1, ai face 1. Dacă aș face 2, ai face 16. Până acum nicio problemă. Dar până când ajung la 10, așteptam săptămâni în timp ce îți vei termina 10.000 de push-up-uri. Nu este exact analog cu Sycamore și Summit, deoarece adăugarea de qubits și cicluri a avut dificultăți exponențiale diferite și diferite, dar veți primi ideea. La un moment dat, trebuie să-l suni. Și Google a numit-o atunci când cel mai puternic computer din lume ar lucra în continuare la ceva când, după toate probabilitățile, această planetă va fi o ruină de fumat.

Este de menționat aici că acest rezultat depinde într-un fel de starea actuală a supercomputerelor și tehnicilor de simulare, care ar putea îmbunătăți foarte bine. De fapt, IBM a publicat o lucrare chiar înainte de anunțul Google sugerând că teoretic ar putea reduce timpul necesar pentru sarcina descrisă în mod semnificativ. Dar se pare că este puțin probabil să se îmbunătățească prin mai multe ordine de mărime și să amenințe din nou supremația cuantică. La urma urmei, dacă adăugați câteva cbits sau mai multe cicluri, acesta devine din nou mai multe ordine de magnitudine mai greu. Chiar și așa, progresele pe frontul clasic sunt binevenite și necesare pentru dezvoltarea cuantică ulterioară.

„Sputnik nu a făcut prea multe lucruri”

Așadar, calculatorul cuantic a bătut-o pe cea clasică pe cea mai conștientă sarcină imaginată, cea mai îndepărtată, cum ar fi să pună un măr față de o portocală într-o competiție „cea mai bună din citrice”. Și ce dacă?

Ei bine, după cum a subliniat fondatorul laboratorului Quantum AI Google, Hartmut Neven, „Sputnik nu a făcut prea multe. Doar a înconjurat Pământul și a semnalat. ”Și totuși, vorbim întotdeauna despre o industrie care are„ momentul lui Sputnik ”- pentru că atunci a trecut ceva de la teorie la realitate și a început marșul lung de la realitate la banalitate.

2019 SB Google 0781

Trecerea rituală a miezului de calcul cuantic.

Aceasta părea să fie atitudinea celorlalți din echipa cu care am vorbit la terenul de calcul cuantic de la Google, lângă Santa Barbara. Au spus ei superioritatea cuantică, dar au învățat ceea ce au învățat în acest proces, confirmând că ceea ce făceau nu avea niciun rost.

Practic, este posibil ca un rezultat ca al lor să poată fi obținut dacă calculul cuantic are într-adevăr un viitor. Arătând către una dintre zecile de grafice și diagrame aproape neînțeles, am fost tratat până în acea zi, plumbul hardware și teoreticul cuantic de mult timp, John Martinez, a explicat un rezultat crucial: computerul cuantic nu făcea nimic ciudat și neașteptat.

Acest lucru este foarte important atunci când faci ceva complet nou. Era cu totul posibil ca, în procesul de conectare a zeci de cioburi și să-i forțeze să danseze la tonul sistemelor de control, să flipping, să încurce, să se decupleze și așa mai departe – bine, ceva s-ar putea întâmpla.

Poate s-ar dovedi că sistemele cu mai mult de 14 qubit-uri încurcate în circuit produc o cantitate mare de interferențe care întrerupe funcționarea. Poate că o oarecare forță necunoscută ar face ca fotonii qubit secvențiali să se afecteze reciproc. Poate că porțile secvențiale de anumite tipuri ar face ca qubit-ul să decoreze și să rupă circuitul. Aceste necunoscute sunt cele care au provocat atâtea îndoieli cu privire la faptul că, așa cum am cerut la început, calculul cuantic există într-adevăr ca altceva decât un truc de salon.

Imaginează-ți dacă ar fi descoperit că în calculatoarele digitale, dacă ai conectat prea multe tranzistoare împreună, toți și-au pierdut spontan sarcina și au mers la 0. Asta ar pune o limitare uriașă a ceea ce un computer digital bazat pe tranzistor putea să facă. Până acum, nimeni nu știa dacă există o asemenea limitare pentru computerele cuantice.

„Nu există nicio fizică nouă acolo care să facă acest lucru să eșueze. Acesta este un mare lucru de luat ", a spus Martinez. „Vedem aceleași erori, fie că avem un circuit simplu sau unul complex, ceea ce înseamnă că erorile nu depind de complexitatea sau înțelegerea de calcul – ceea ce înseamnă că calculul cuantic complex care se desfășoară nu are fragilitate cu acesta deoarece faci un calcul complex. ”

Au operat un computer cuantic la complexități mai ridicate ca niciodată și nu se întâmplă nimic ciudat. Și bazându-se pe observațiile și testele lor, au descoperit că nu există niciun motiv să creadă că nu pot lua aceeași schemă până la o milă de cbbits și chiar o complexitate mai mare.

Salut Lume

Aceasta este adevărata realizare a muncii pe care a făcut-o echipa de cercetare. Ei au aflat, în procesul de realizare a reperelor mai degrabă supraîncărcate de superioritate cuantică, că calculatoarele cuantice sunt ceva care poate continua să se îmbunătățească și să obțină mai mult decât un simplu rezultat experimental interesant.

Acest lucru nu a fost în niciun caz dat – ca orice altceva din lume, cuantic sau clasic, totul este teoretic până când îl testați.

Înseamnă că cândva în curând, deși nimeni nu poate spune cu adevărat când, calculatoarele cuantice vor fi ceva ce oamenii vor folosi pentru a îndeplini sarcini reale. De aici încolo, este o problemă de a îmbunătăți, nu de a dovedi posibilitatea; de scriere a codului, nu teoretizând dacă codul poate fi executat.

Pleacă de la propunerea lui Feynman potrivit căreia un computer cuantic va fi necesar pentru a utiliza un computer cuantic pentru orice aveți nevoie. Este momentul „salut al lumii” pentru calculul cuantic.

Apropo, Feynman, probabil, nu ar fi surprins. Știa că are dreptate.

Hârtia Google care descrie lucrările lor a fost publicată în revista Nature. O puteți citi aici.

Sursa articol

LĂSAȚI UN MESAJ

Please enter your comment!
Please enter your name here