Новий квантовий чип випереджає суперкомп'ютери на 10 септильйонів років: що це означає

Новий 105-кубітний квантовий чип Willow від Google перевершив найскладніші суперкомп'ютери світу. Про це пише Interesting Engineering.

Вдосконалений чип демонструє виняткову здатність керувати квантовим шумом, значно знижуючи частоту помилок у міру розширення системи. Цей життєво важливий розвиток підвищує точність квантових обчислень і дає змогу розв'язувати більші та складніші проблеми з безпрецедентною точністю. Незважаючи на ці досягнення, експерти зазначають, що Willow все ще перебуває на експериментальній стадії, і весь спектр його можливостей ще належить розкрити для вирішення реальних завдань.

Квантові комп'ютери за своєю природою "галасливі", тобто без передових технологій виправлення помилок кожен з 1000 кубітів, основних будівельних блоків квантового комп'ютера, виходить з ладу. Цей шум істотно обмежує час, протягом якого кубіти можуть залишатися в стані суперпозиції, що має вирішальне значення для паралельної обробки обчислень.

Однак Willow продемонструвала здатність експоненціально знижувати частоту помилок, додаючи більше кубітів. Цього прориву було досягнуто за допомогою передових методів квантової корекції помилок, які дають змогу системі обробляти більші масиви кубітів: від сітки 3×3 до сітки 5×5 і, зрештою, сітки 7×7, при цьому постійно зменшуючи частоту помилок удвічі з кожним збільшенням масштабу. Навпаки, у звичайних обчисленнях кожен із мільярда мільярдів бітів дає збій. Це досягнення долає бар'єр, який існував відтоді, як квантову корекцію помилок концептуалізував Пітер Шор у 1995 році, і робить квантові комп'ютери менш схильними до помилок у міру їхнього масштабування.

Ефективність Willow яскраво підкреслюється його продуктивністю в тесті Random Circuit Sampling (RCS), найважливішому тесті для можливостей квантових обчислень. Цей тест є одним із найскладніших для квантових процесорів і слугує лакмусовим папірцем для визначення того, чи можуть квантові системи перевершити класичні комп'ютери в певних завданнях.

RCS вимірює, чи може квантовий комп'ютер вирішувати нездійсненні завдання для класичних систем, встановлюючи високу планку для справжньої квантової переваги.

Під час демонстрації Willow менш ніж за п'ять хвилин виконав обчислення, на розв'язання якого, за найскромнішими оцінками, одному з найсучасніших класичних суперкомп'ютерів Frontier знадобилося б близько 10 септильйонів років. Якщо розглядати це в перспективі, то цей час — 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 років — набагато перевищує поточний ймовірний вік Всесвіту, що підкреслює колосальну швидкість, з якою можуть працювати квантові обчислення.

Використання Google RCS для відстеження прогресу від одного покоління чипів до іншого, включно з попередніми оцінками, як-от результати Sycamore за 2019 і 2024 роки, вказує на значний і прискорений відхід від класичних обчислювальних можливостей.

Willow був створений на передовому виробничому об'єкті в Санта-Барбарі, спеціально розробленому для квантових технологій. Цей об'єкт є одним із небагатьох у світі, спеціально побудованих з нуля для вирішення унікальних завдань виробництва квантових чипів.

Інженерія Willow була цілісним починанням, що включає точну інтеграцію різних квантових компонентів. Ключові елементи, такі як одно- і двокубітні вентилі, скидання кубітів і зчитування, були безшовно об'єднані для забезпечення оптимальної продуктивності.

Гармонійна робота цих компонентів має вирішальне значення, оскільки будь-яка затримка або неузгодженість може суттєво вплинути на загальну продуктивність системи.

У прагненні до квантової переваги Google поставила якість вище за кількість. Willow може похвалитися 105 кубітами, але якість кожного кубіта виділяє його, що підтверджується його продуктивністю в суворих тестах, таких як квантова корекція помилок і випадкова вибірка ланцюгів. Ці тести мають вирішальне значення для оцінки загальної продуктивності чипа і продемонстрували найвищі можливості Willow.

Примітно, що Willow значно поліпшив час T1 — вимірювання того, як довго кубіти зберігають збудження, критичний ресурс квантових обчислень. Досягнення часу T1, що наближається до 100 мікросекунд, являє собою приблизно п'ятикратне поліпшення порівняно з попередніми поколіннями, підкреслюючи значні досягнення в стабільності і довговічності кубітів.

Раніше ми писали, що новий ШІ перевершує суперкомп'ютери і вирішує наукові завдання швидше, ніж будь-коли. Команда вчених протестувала DIMON на більш ніж 1 000 цифрових комп'ютерних моделях серця реальних пацієнтів.