Современные квантовые компьютеры имеют небольшие вычислительные возможности — чип внутри смартфона содержит миллиарды транзисторов, а самый мощный квантовый компьютер содержит несколько сотен квантовых эквивалентов одного транзистора.
Они также ненадежны. Если вы выполняете одни и те же расчеты снова и снова, они, вероятно, каждый раз будут давать разные результаты.
Читать далее:
Но с присущей им способностью рассматривать множество возможностей одновременно, квантовые компьютеры не должны быть очень большими, чтобы справляться с некоторыми сложными вычислительными задачами, и в среду (14) исследователи IBM объявили, что они разработали метод управления нехватка надежности таким образом, который привел бы к надежным и полезным ответам.
«То, что IBM показала здесь, — действительно невероятно важный шаг в направлении серьезного проектирования квантовых алгоритмов», — сказал Дорит Ааронов, профессор компьютерных наук в Еврейском университете в Иерусалиме, не участвовавший в исследовании.
В то время как исследователи Google в 2019 году заявляли, что достигли «квантового превосходства» — задача выполняется гораздо быстрее на квантовом компьютере, чем на обычном, — исследователи IBM говорят, что достигли чего-то нового и более полезного, хотя и с более скромным названием.
«Мы вступаем в фазу квантовых вычислений, которую я называю утилитарностью, — сказал Джей Гамбетта, вице-президент IBM Quantum. «Век полезности». Группа ученых IBM, работающих на Gambetta, описала свои результаты в статье, опубликованной в среду в журнале Nature.
Обычный компьютер против квантового компьютера
- Современные компьютеры называются цифровыми или классическими, потому что они имеют дело с битами информации, которые равны 1 или 0, включены или выключены;
- Квантовый компьютер выполняет вычисления с квантовыми битами или кубитами, которые фиксируют более сложное состояние информации;
- Точно так же, как мысленный эксперимент, проведенный физиком Эрвином Шредингером, постулировал, что кошка может находиться в квантовом состоянии, которое может быть мертвым и живым, кубит может быть 1 и 0 одновременно;
- Это позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений одновременно, в то время как цифровым приходится выполнять каждое вычисление отдельно;
- Ускоряя вычисления, квантовые компьютеры потенциально могут решать большие и сложные проблемы в таких областях, как химия и материаловедение, которые сегодня недоступны;
- Квантовые компьютеры также могут иметь темную сторону, угрожая конфиденциальности с помощью алгоритмов, которые нарушают защиту, используемую для паролей и зашифрованных сообщений.
Когда исследователи Google заявили о своем превосходстве в 2019 году, они заявили, что их квантовый компьютер выполнил расчет за 3 минуты и 20 секунд, что на современном обычном суперкомпьютере заняло бы около 10 000 лет.
Но некоторые другие исследователи, в том числе из IBM, отвергли это утверждение, заявив, что проблема была выдумана. «Эксперимент Google, каким бы впечатляющим он ни был, и он был действительно впечатляющим, заключается в том, что он делает то, что неинтересно ни для одного приложения», — сказал доктор. Ааронов, который также работает директором по стратегии в Qedma, компании, занимающейся квантовыми вычислениями.
Вычисления Google также оказались менее впечатляющими, чем казалось на первый взгляд. Группе китайских исследователей удалось выполнить те же вычисления на неквантовом суперкомпьютере чуть более чем за пять минут, что намного быстрее, чем десять лет, подсчитанные командой Google.
Исследователи IBM в новом исследовании выполнили другую задачу, интересующую физиков. Они использовали квантовый процессор со 127 кубитами для моделирования поведения 127 магнитов атомного масштаба — достаточно малых, чтобы ими можно было управлять по правилам квантовой механики — в магнитном поле. Это простая система, известная как модель Изинга, которая часто используется для изучения магнетизма.
Эта задача слишком сложна, чтобы дать точный ответ даже на самых больших и быстрых суперкомпьютерах.
На квантовом компьютере расчет занял менее миллисекунды. Каждое квантовое вычисление было ненадежным — флуктуации квантового шума неизбежно вмешивались и приводили к ошибкам, — но каждое вычисление было быстрым, поэтому его можно было выполнять многократно.
На самом деле, во многие расчеты намеренно добавлялся дополнительный шум, что делало ответы еще менее надежными. Но, варьируя количество шума, исследователи смогли определить конкретные характеристики шума и его эффекты на каждом этапе расчета.
«Мы можем очень точно усилить шум, а затем повторно запустить ту же схему», — сказал Абхинав Кандала, менеджер по квантовым ресурсам и демонстрациям в IBM Quantum и автор статьи в Nature. «И как только мы получим результаты этих разных уровней шума, мы сможем экстраполировать обратно на то, каким был бы результат в отсутствие шума».
По сути, исследователи смогли вычесть влияние шума из ненадежных квантовых вычислений — процесс, который они называют устранением ошибок. «Вы должны обойти это, придумав очень умные способы уменьшить шум», — сказал доктор. Ааронов. — И это то, что они делают.
В целом, компьютер выполнил расчет 600 000 раз, сходясь в ответе на общую намагниченность, создаваемую магнитами на 127 стержней. Но насколько хорошим был ответ?
За помощью команда IBM обратилась к физикам Калифорнийского университета в Беркли. Хотя модель Изинга с магнитами на 127 стержней слишком велика и имеет множество возможных конфигураций, чтобы поместиться на обычном компьютере, классические алгоритмы могут давать приблизительные ответы. размер при сохранении большей части деталей изображения.
Майкл Залетел, профессор физики в Беркли и автор книги Природа, сказал, что когда он начал работать с IBM, то думал, что их классические алгоритмы будут лучше, чем их квантовые. «Это оказалось немного не так, как я ожидал», — сказал он.
Определенные конфигурации модели Изинга могут быть решены точно, а классические и квантовые алгоритмы согласованы на простейших примерах. Для более сложных, но решаемых случаев квантовый и классический алгоритмы давали разные ответы, и правильным был именно квантовый.
Таким образом, для других случаев, когда квантовые и классические расчеты расходятся и точное решение неизвестно, «есть основания полагать, что квантовый результат более точен», — сказал Саджант Ананд, аспирант Беркли, который провел большую часть исследования. на классических подходах.
Неясно, являются ли квантовые вычисления бесспорным победителем над классическими методами для модели Изинга. В настоящее время Ананд пытается добавить к классическому алгоритму версию с исправлением ошибок, и не исключено, что это будет соответствовать или превзойти производительность квантовых вычислений.
«Неочевидно, что они достигли здесь квантового превосходства», — сказал доктор К. Залетель. В более долгосрочной перспективе квантовые ученые надеются, что другой подход, исправление ошибок, сможет обнаруживать и исправлять просчеты, и это откроет двери для квантовых компьютеров для многих применений.
Исправление ошибок уже используется в обычных компьютерах и при передаче данных для исправления более сложных ошибок. Но для квантовых компьютеров исправление ошибок, скорее всего, займет годы, и потребуются более совершенные процессоры, способные обрабатывать гораздо больше кубитов.
Устранение ошибок, считают ученые IBM, является промежуточным решением, которое теперь можно использовать для решения все более сложных проблем, выходящих за рамки модели Изинга.
«Это одна из простейших задач естественных наук, — сказал доктор. Гамбетта. — Тогда хорошо начинать. Но теперь вопрос: как обобщить и перейти к более интересным естественнонаучным проблемам?»
Это может включать в себя обнаружение свойств экзотических материалов, ускорение открытия лекарств и моделирование реакций синтеза.
По информации The New York Times
Вы смотрели новые видео на YouTube цифрового взгляда? Подписывайтесь на канал!