Новый квантовый чип опережает суперкомпьютеры на 10 септиллионов лет: что это значит

Новый 105-кубитный квантовый чип Willow от Google превзошел самые сложные суперкомпьютеры мира. Об этом пишет Interesting Engineering.

Усовершенствованный чип демонстрирует исключительную способность управлять квантовым шумом, значительно снижая частоту ошибок по мере расширения системы. Это жизненно важное развитие повышает точность квантовых вычислений и позволяет решать более крупные и сложные проблемы с беспрецедентной точностью. Несмотря на эти достижения, эксперты отмечают, что Willow все еще находится на экспериментальной стадии, и весь спектр его возможностей еще предстоит раскрыть для решения реальных задач.

Квантовые компьютеры по своей природе "шумны", то есть без передовых технологий исправления ошибок каждый из 1000 кубитов, основных строительных блоков квантового компьютера, выходит из строя. Этот шум существенно ограничивает время, в течение которого кубиты могут оставаться в состоянии суперпозиции, что имеет решающее значение для параллельной обработки вычислений.

Однако Willow продемонстрировала способность экспоненциально снижать частоту ошибок, добавляя больше кубитов. Этот прорыв был достигнут с помощью передовых методов квантовой коррекции ошибок, которые позволяют системе обрабатывать более крупные массивы кубитов от сетки 3×3 до сетки 5×5 и, наконец, сетки 7×7, при этом постоянно уменьшая частоту ошибок вдвое с каждым увеличением масштаба. Напротив, в обычных вычислениях каждый из миллиарда миллиардов битов дает сбой. Это достижение преодолевает барьер, который существовал с тех пор, как квантовая коррекция ошибок была концептуализирована Питером Шором в 1995 году, и делает квантовые компьютеры менее подверженными ошибкам по мере их масштабирования.

Эффективность Willow ярко подчеркивается его производительностью в тесте Random Circuit Sampling (RCS), важнейшем тесте для возможностей квантовых вычислений. Этот тест является одним из самых сложных для квантовых процессоров и служит лакмусовой бумажкой для определения того, могут ли квантовые системы превзойти классические компьютеры в определенных задачах.

RCS измеряет, может ли квантовый компьютер решать невыполнимые задачи для классических систем, устанавливая высокую планку для настоящего квантового превосходства.

В ходе демонстрации Willow менее чем за пять минут выполнил вычисление, на решение которого, по самым скромным оценкам, одному из самых современных классических суперкомпьютеров Frontier потребовалось бы около 10 септиллионов лет. Если рассматривать это в перспективе, то это время — 10 000 000 000 000 000 000 000 000 лет — намного превышает текущий предполагаемый возраст Вселенной, что подчеркивает колоссальную скорость, с которой могут работать квантовые вычисления.

Использование Google RCS для отслеживания прогресса от одного поколения чипов к другому, включая предыдущие оценки, такие как результаты Sycamore за 2019 и 2024 годы, указывает на значительный и ускоряющийся отход от классических вычислительных возможностей.

Willow был создан на передовом производственном объекте в Санта-Барбаре, специально разработанном для квантовых технологий. Этот объект является одним из немногих в мире, специально построенных с нуля для решения уникальных задач производства квантовых чипов.

Инженерия Willow была целостным начинанием, включающим точную интеграцию различных квантовых компонентов. Ключевые элементы, такие как одно- и двухкубитные вентили, сбросы кубитов и считывания, были бесшовно объединены для обеспечения оптимальной производительности.

Гармоничная работа этих компонентов имеет решающее значение, поскольку любая задержка или несогласованность может существенно повлиять на общую производительность системы.

В стремлении к квантовому превосходству Google поставила качество выше количества. Willow может похвастаться 105 кубитами, но качество каждого кубита выделяет его, что подтверждается его производительностью в строгих тестах, таких как квантовая коррекция ошибок и случайная выборка цепей. Эти тесты имеют решающее значение для оценки общей производительности чипа и продемонстрировали высочайшие возможности Willow.

Примечательно, что Willow значительно улучшил время T1 — измерение того, как долго кубиты сохраняют возбуждение, критический ресурс квантовых вычислений. Достижение времени T1, приближающегося к 100 микросекундам, представляет собой примерно пятикратное улучшение по сравнению с предыдущими поколениями, подчеркивая значительные достижения в стабильности и долговечности кубитов.