Важный этап в развитии квантовых чипов подогревает интерес к будущему вычислений

Новая веха в области квантовых вычислений

Квантовые вычисления, вместе с ИИ, являются новым горизонтом для технологической индустрии. Это потому, что, вопреки другие некремниевые вычислительные технологииgх годовПодобно графену, фотонике или даже биологическим органоидам, квантовые вычисления выполняют вычисления радикально новым способом.

Это достигается за счет использования квантовых эффектов, при этом вычисления производятся не с 0 и 1 (двоичными битами), а с кубитами, где данные о частицах представляют собой либо 0 И 1 одновременно, либо 1, либо 0. Эти различные методы означают, что для некоторых математических задач квантовые компьютеры могут быть абсурдно более эффективными, чем обычные компьютеры.

И это именно то, что только что продемонстрировала компания Google: она представила новый чип, которому требуется пять минут, чтобы решить задачу, на решение которой в настоящее время самым быстрым суперкомпьютерам в мире потребовалось бы десять септиллионов — или 10,000,000,000,000,000,000,000,000 XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX лет – завершить.

Помимо этой замечательной производительности, это также может быть первым квантовым компьютерным чипом, который имеет разумные шансы быть масштабируемым и надежным для полезных вычислений. Результаты были опубликованы в ведущем научном издании Nature под заголовком «Квантовая коррекция ошибок ниже порога поверхностного кода».

Знакомьтесь, Уиллоу

Рассматриваемый квантовый вычислительный чип Google называется Willow.

Источник: Google

Это последняя версия серии все более мощных квантовых чипов, разработанных Google, которые называются Foxtail, Bristlecone и Sycamore.

Источник: Google

Чтобы проверить производительность Уиллоу, случайная выборка цепи (RCS) Для сравнения с обычным суперкомпьютером использовался бенчмарк. Эта техника была создана для измерения производительности Sycamore, которая оценивает количество кубитов, необходимое для сопоставления эквивалентного количества с использованием классического компьютера.

Источник: Google

Масштабируемость наконец-то стала достижимой

Одним из основных ограничений квантовых вычислений на данный момент является то, что кубиты чрезвычайно хрупки. Это связано с тем, что квантовые состояния, как правило, очень недолговечны, а помехи из окружающей среды дестабилизируют условия, необходимые для квантовых вычислений.

Вот почему все современные квантовые компьютеры используют сверххолодные условия и требуют сверхпроводящих материалов. Это делает их не только более сложными и дорогими, но и очень трудными для надежного использования.

«Чтобы заставить квантовый компьютер выполнять полезные вычисления, вам нужна квантовая информация, и вам нужно защитить ее от окружающей среды — и от нас самих, поскольку мы производим с ней манипуляции».

Джулиан Келли — физик в Google, руководитель подразделения квантового оборудования

Чтобы добавить к проблеме, чем больше кубитов в системе, тем выше ошибка, а любая нестабильность вызывает эффект домино. Таким образом, чем больше кубитов, тем больше ошибка, вплоть до того момента, когда добавление большей вычислительной мощности фактически снижает общую производительность.

И, возможно, именно в этом Willow является настоящим прорывом, даже больше, чем в вычислительных возможностях.

Более подробную информацию о точных характеристиках Willow вы также можете увидеть в специальной видеопрезентации Google:

Исправление ошибок

Фундаментальным шагом для Google стала работа над так называемой коррекцией ошибок. Идея заключается в том, что в данном квантовом компьютере некоторые кубиты будут более надежными, чем другие.

Таким образом, отклоняющиеся/недостаточно эффективные кубиты можно перенастроить так, чтобы они работали так же, как и остальная часть чипа.

Источник: Google

Дальнейшего улучшения можно добиться путем совершенствования метода калибровки, чтобы свести к минимуму ошибки за счет улучшения программного обеспечения на всех кубитах.

Порог квантовой коррекции ошибок

Этот порог — очень долгожданная цель ученых, занимающихся квантовыми вычислениями. Здесь уровень ошибок достаточно низок, так что чем больше кубитов вы добавляете, тем Меньше ошибка, которую вы получаете. Это долго теоретизировалось, но впервые было достигнуто только с Willow.

Мы тестировали все более крупные массивы физических кубитов, масштабируясь от сетки 3×3 закодированных кубитов до сетки 5×5 и сетки 7×7 — и каждый раз, используя наши последние достижения в области квантовой коррекции ошибок, нам удавалось сократить частоту ошибок вдвое.

Отдел квантовых вычислений Google

Источник: Google

По сути, вместо того, чтобы накладываться друг на друга до коллапса, ошибки теперь случаются достаточно редко, и их можно исправить с помощью дополнительных вычислительных мощностей, что повышает надежность всей системы.

Ключевым фактором для Google в достижении этого прорыва стало радикальное улучшение конкретной производительности кубита, называемой «время когерентности кубита». Это время, когда кубит может поддерживать свое состояние когерентности, необходимое условие для выполнения квантовых вычислений.

Willow достигла состояния когерентности в 100 микросекунд, тогда как Sycamore 20 года достигла всего лишь 2019 микросекунд.

Это важный момент, поскольку улучшение состояния когерентности, ведущее непосредственно к экспоненциально более надежным квантовым компьютерам, можно рассматривать как текущую квантовую версию закона Мура, который способствовал постоянному совершенствованию «обычных» компьютеров.

Как первая система ниже этого порога, это самый убедительный прототип масштабируемого логического кубита, созданный на сегодняшний день. Это весомый признак того, что полезные, очень большие квантовые компьютеры действительно могут быть построены. Willow приближает нас к запуску практических, коммерчески значимых алгоритмов, которые невозможно воспроизвести на обычных компьютерах.

Отдел квантовых вычислений Google

Все это стало возможным благодаря долгосрочным инвестициям Google в свой завод по производству сверхпроводящих квантовых чипов.

От физического к логическому кубиту

Для любого полезного вычисления квантовые вычисления должны использовать логические кубиты или реальную вычислительную единицу, создаваемую физическим чипом.

При уровне ошибок Willow каждый логический кубит, как ожидается, будет состоять примерно из 1,000 физических кубитов. Дальнейшее улучшение коррекции ошибок может даже снизить это число до 200 физических кубитов.

В настоящее время емкость Willow составляет 105 кубитов.

Следующие шаги

Благодаря этому прорыву перспектива создания стабильного, надежного и масштабируемого логического кубита теперь находится в пределах досягаемости. Тем более, что добавление физического кубита теперь экспоненциально снижает частоту ошибок, вместо того чтобы экспоненциально ее увеличивать.

Скорее всего, следующим шагом станет создание преемника Willow с еще большим количеством кубитов, а также улучшение технологии коррекции ошибок. Вместе это может позволить каждому из следующих проектов квантовых чипов Google быть достаточным для создания полного логического кубита.

Однако остается еще одна задача — объединить логические кубиты в сеть, чтобы они могли совместно использовать и обмениваться квантовыми состояниями.

Только тогда мы сможем говорить о настоящем квантовом компьютере, который можно будет использовать в повседневной работе и, что еще важнее, масштабировать по желанию.

Ранее мы обсудили несколько технологий и параллельных прорывов, которые могут повысить производительность и архитектуру квантовых вычислений, помимо улучшения кубитов, например:

• Наномеханические резонаторы, чтобы лучше измерить квантовое состояние, не дестабилизируя кубиты.
• Сверхпроводящий нелинейный асимметричный индуктивный элемент (SNAIL) резонатор, чтобы выйти за рамки суперпозиции состояний 0 и 1 кубитов и разработать квантовые вычисления с непрерывными переменными (CV).
• Лучшие сверхпроводящие материалы, для повышения стабильности квантовых вычислительных систем.

В целом, прорыв Google является поистине новаторским и радикальным изменением перспектив квантовых вычислений, ставящим перед собой первую в истории реалистичную цель создания масштабируемого коммерческого компьютера.

Однако даже руководитель лаборатории квантового искусственного интеллекта Google Хартмут Невен напоминает нам, что это произойдет не завтра:

«Чип, способный выполнять коммерческие приложения, не появится до конца десятилетия. Первоначально эти приложения будут представлять собой моделирование систем, где важны квантовые эффекты.

Например, это важно для понимания функционирования лекарств и разработки фармацевтических препаратов, когда речь идет о проектировании термоядерных реакторов, это будет важно для разработки более совершенных автомобильных аккумуляторов и еще для длинного списка подобных задач».

Приложения

Потенциал квантовых вычислений огромен и может произвести революцию практически в каждой научной области. Несколько приложений выделяются как особенно впечатляющие:

• Биохимическое моделирование: от определения трехмерной формы белка до экспрессии генов, расчет сложных биологических молекул до атомов может совершить революцию в биотехнологических исследованиях.
• Моделирование климата: Климатические модели чрезвычайно сложны и выходят за пределы возможностей современных суперкомпьютеров. Лучшее понимание климата с более точным масштабом расчетов в модели, как географически, так и во времени, могло бы помочь в понимании рисков изменения климата.
• Полупроводниковые приборы: Квантовые компьютеры могут быть использованы для того, чтобы сделать обычные компьютерные чипы намного более мощными. С «нормальными» чипами, которые теперь достигают нанометрового масштаба, квантовые явления становятся все более проблематичными, и для их решения могут потребоваться квантовые компьютеры.
• Наука о материалах: Лучшее понимание квантовой физики и реакции материалов на отдельные атомы может открыть новые разработки для материалов, используемых в аэрокосмической отрасли, батареях, 3D-печати, производстве и т. д.
• Криптография: Квантовые компьютеры потенциально могут сделать все существующие методы криптографии устаревшими. Это серьезная проблема для военных, финансовых и информационных систем. Но в то же время это может сделать криптографию еще более безопасной.

Риски

Поскольку квантовые вычисления настолько мощны, существует также серьезный риск их неправильного использования. Самый большой риск связан с криптографией.

После заявления Google о Willow несколько комментаторов обсуждали, насколько разрушительными будут последствия взлома всей существующей криптографии для криптовалют, таких как Bitcoin.

И в теории это правда. Но это довольно близорукий комментарий, больше продиктованный реакцией на недавний рост биткоина, чем видением общей картины. Взлом криптографии компьютеров и цифровых систем в равной степени нарушит безопасность и надежность всей банковской и финансовой системы, а не только криптовалют.

Это также будет разрушительно для глобальной геополитической стабильности и военной безопасности, поскольку все, от коммуникаций до кодов запуска ядерных ракет, зависит от безопасного шифрования. Полностью взломанное шифрование может позволить иностранным державам или плохим игрокам полностью разрушить такой аппарат безопасности.

Это не значит, что нет решений. Например, в феврале 2024 года Apple объявила, что шифрование, защищающее чаты iMessage, делается «квантовоустойчивым», чтобы предотвратить их чтение мощными будущими квантовыми компьютерами. Можно предположить, что если Apple перейдет на квантовоустойчивое шифрование, то же самое смогут сделать и крупнейшие военные силы и финансовые учреждения.

Если учесть, что даже такому лидеру, как Google, потребуется несколько лет, чтобы создать коммерческий квантовый компьютер, то мы далеки от катастрофического, неминуемого риска.

Компания квантовых вычислений

Alphabet Inc.

Как вы видели, Google очень активна в области квантовых вычислений, в основном через свою лабораторию Google Quantum AI и кампус Quantum AI в Санта-Барбаре.

Квантовый компьютер Google вошел в историю в 2019 году, когда Google заявил, что достиг «квантового превосходства» с помощью своей машины Sycamore, выполнив вычисления за 200 секунд, на которые у обычного суперкомпьютера ушло бы 10,000 XNUMX лет.

Конечно, это сейчас меркнет по сравнению с выступлением Уиллоу.

Но, возможно, наибольший вклад Google сделает в программное обеспечение, где у компании впечатляющий послужной список, даже лучший, чем в аппаратном обеспечении (поиск, GSuit, Android и т. д.).

Google Quantum AI уже предлагает набор программного обеспечения, призванного помочь ученым в разработке квантовых алгоритмов.

Он также открыто выступает за «Исследователи, инженеры и разработчики присоединяйтесь к нам в этом путешествии, ознакомившись с нашими программное обеспечение с открытым исходным кодом и образовательные ресурсы, включая наши новый курс на Coursera, где разработчики могут изучить основы квантовой коррекции ошибок и помочь нам создать алгоритмы, способные решать проблемы будущего.

Благодаря такому открытому подходу, а теперь и лидерству в области аппаратного обеспечения, а также своим облачным решениям, Google, вероятно, может стать одной из компаний, устанавливающих стандарты программного обеспечения для квантовых вычислений и квантового программирования, что позволит ей занять привилегированное положение для определения направлений развития этой области в будущем.

Между тем, решения на основе искусственного интеллекта, включая беспилотный автомобиль Waymo, могут стать новым источником дохода для Alphabet, которая по-прежнему занимает доминирующее положение в индустрии поиска и рекламы.