Google: квантовий чип ШІ відкриває доступ до «паралельних всесвітів»

Квантова сфера сповнена теорій і концепцій, які неможливо зрозуміти для більшості людей, і чисел, які є одночасно настільки великими і настільки малими, що їх однаково важко зрозуміти нашому розуму. Нещодавнє оголошення Google про прорив торкається всіх цих кутів і не розчаровує в жодній із цих «запаморочливих» категорій. Минулого тижня вони оголосили, що їхній новий квантовий штучний інтелект лише за п’ять хвилин розв’язав рівняння, для виконання якого звичайному комп’ютеру знадобився один септильйон років безперервної роботи.

Один септильйон дорівнює 1, за яким слідують 24 нулі. Отже, це виглядає так: 1 000 000 000 000 000 000 000 000

З огляду на це, якщо ви спробуєте порахувати до септильйона, вам знадобляться мільярди років — набагато більше, ніж вік Всесвіту.

Чому це велика справа?

Квантові обчислення, як би круто та передово це не звучало, завжди боролися з нестабільністю. Крихітні частинки не дотримуються тих самих правил охайності, які керують повсякденними предметами, і навіть найдосконаліший чіп може вийти з ладу, оскільки їхні крихкі стани розвалюються від найменшого порушення. Дослідники десятиліттями намагалися використовувати цю хитру поведінку, сподіваючись використати її для обчислень, які звичайні машини ніколи не завершать. Було багато обіцянок, але кожна спроба натикається на той самий камінь спотикання. Помилки накопичуються швидше, ніж хтось може їх виправити, гальмуючи прогрес.

Google грає у квантовий світ

Квантова корекція помилок запропонувала можливе рішення, але мала свої ускладнення. Це вимагає поширення інформації між кількома кубітами, які є фундаментальними одиницями квантових даних. Це звучить просто в теорії, але на практиці це створює акт жонглювання. Якщо задіяно занадто багато кубітів, утримувати рівень помилок нижче певного критичного порогу стає важко.

Донедавна нікому не вдавалося показати, що рівень помилок може опускатися нижче цієї критичної точки для коду, спеціально розробленого для масштабування. Це змінилося завдяки демонстрації нової архітектури квантового чіпа. Цим досягненням поділився Хартмут Невен, квантовий учений і засновник лабораторії Google Quantum AI.

Доступ до паралельних всесвітів?

Невен назвав виступ Віллоу «приголомшливим». Він додав, що його високошвидкісні результати «підтверджують уявлення про те, що квантові обчислення відбуваються в багатьох паралельних всесвітах». Невен похвалив фізика Оксфордського університету Девіда Дойча за те, що він висунув ідею про те, що успішна розробка квантових комп’ютерів може підтримувати «інтерпретацію багатьох світів» квантової механіки та існування мультивсесвіту. З 1970-х років Дойч став піонером квантових обчислень не стільки для самої технології, скільки для перевірки своєї теорії мультивсесвіту.

Що таке паралельний всесвіт?

Також відомі як альтернативні або множинні всесвіти, паралельні всесвіти — це ідея про те, що поруч із нашою можуть існувати інші реальності. Уявіть наш Всесвіт як одну бульбашку у величезній космічній піні, де кожна бульбашка є окремим всесвітом зі своїми унікальними законами фізики, історією та навіть версіями нас самих.

Вчені досліджують цю концепцію за допомогою таких теорій, як мультивсесвіт, які припускають, що може існувати незліченна кількість інших всесвітів, кожен із власним набором можливостей. Хоча ми ще не знайшли конкретних доказів існування паралельних всесвітів, ця ідея викликає захоплюючі дискусії про природу реальності та про те, що може лежати за межами того, що ми зараз можемо побачити та зрозуміти.

Особлива думка, але все ж хвала

Однак астрофізик, який став письменником Ітан Сігел, не погодився з думкою Google. Він звинуватив їх у «змішуванні непов’язаних концепцій, які Невен також повинен знати». Сігель пояснив, що Невен змішував математичний простір, де діє квантова механіка, з ідеєю паралельних всесвітів і мультивсесвіту.

За словами Сігеля, навіть якщо квантові комп’ютери досягнуть успіху, вони не доведуть існування паралельних всесвітів. Незважаючи на свої розбіжності, Сігел високо оцінив досягнення Google з Willow, назвавши це «справді чудовим кроком вперед у світі квантових обчислень». Він вважає, що цей прорив може допомогти вирішити деякі з найбільших проблем Землі, як-от відкриття нових ліків, розробка кращих акумуляторів для електромобілів, а також розвиток термоядерного синтезу та нових джерел енергії.

Невен повторив цей оптимізм, сказавши: «Багато з цих програм, що змінюють правила гри, неможливо буде реалізувати на класичних комп’ютерах; вони чекають, щоб їх розблокували за допомогою квантових обчислень».

Квантовий чип Google Willow

Чип Willow — це найновіший надпровідний процесор, розроблений командою Google Quantum AI. На відміну від старих пристроїв, які важко справлялися з помилками, Willow переносить продуктивність у нову зону, яка підтримує методи, спрямовані на те, щоб квантова корекція помилок дійсно виправдала свої обіцянки. Ця система відповідає умовам конкретного підходу, відомого як поверхневий код. Попередні спроби наштовхувалися на труднощі, оскільки додавалося більше кубітів, але тут Віллоу переступає цей бар’єр.

Кодові відстані та квантовий чип Google

Структури квантового виправлення помилок часто посилаються на те, що називається кодовою відстанню. Простими словами, це означає, скільки кубітів використовується для захисту фрагмента квантових даних. Передбачається, що більші відстані, як-от перехід із кодової відстані від трьох до п’яти до семи, зменшують загальну ймовірність відмови, якщо виконуються певні умови.

На цьому новому пристрої кожен крок у відстані скорочує частоту логічних помилок вдвічі. Такого роду вдосконалення давно було головною метою для дослідників квантових обчислень. Згідно з опублікованими висновками, «Віллоу виконав стандартне порівняльне обчислення менш ніж за п’ять хвилин, що зайняло б одному з найшвидших сучасних суперкомп’ютерів 10 септильйонів років», — сказав Хартмут Невен, квантовий вчений і засновник лабораторії Google Quantum AI.

Повільний і рівномірний темп марафону

Виконання тесту протягом лише кількох циклів може не розкрити повну історію стабільності системи. Новий квантовий чіп Google долає це, підвищуючи продуктивність до мільйона циклів. Пристрій зберігає свою продуктивність нижче порогового значення протягом періоду часу, який зазвичай змушує інші системи хапати повітря. Підтримувати точність декодування в реальному часі протягом такого тривалого періоду – це не маленький подвиг.

Команда, що стоїть за Willow, організувала свою роботу так, щоб виправлення можна було вносити на ходу. Такий підхід гарантує, що чіп не зійде з курсу.

«Ми розглядаємо Willow як важливий крок у нашому шляху до створення корисного квантового комп’ютера», — сказав Сундар Пічаї, генеральний директор Google.

Погляд за рамки класичних вузьких місць

Традиційні суперкомп’ютери вирішують складні завдання за допомогою мільярдів крихітних комутаторів, що працюють добре зрозумілими способами.

Квантові комп’ютери, навпаки, підключаються до явищ, які неможливо звести до класичних ярликів. Проблема до цього часу полягала в тому, щоб підтримувати делікатні квантові стани живими достатньо довго, щоб завершити значущі розрахунки. За допомогою Willow команда показує, що кубіти можуть співпрацювати таким чином, щоб помилки не виходили з-під контролю. Демонстрація свідчить про те, що квантові чіпи можуть рухатися до обчислень, які можуть перевершити все, з чим може працювати класична система.

Чому Google хоче квантовий чіп?

Покладання на апаратне забезпечення, яке може пройти ці важкі випробування на надійність, свідчить про те, що квантові обчислення не застрягли на фазі проблеми з іграшками назавжди. Збільшення відстані коду без втрати здатності виправляти помилки свідчить про те, що колись великі колекції кубітів можуть використовувати алгоритми, які стосуються реальних завдань.

Приклади включають прискорення складного моделювання, удосконалення конвеєрів відкриття ліків і дослідження нових матеріалів для зберігання енергії. Успіх Willow у досягненні рівня помилок нижче порогового значення протягом тривалого періоду може спонукати до роботи в галузях, які чекали на переконливі докази того, що квантове обладнання перетвориться на надійний інструмент.

Коли виправлення помилок стає рутиною

Квантова корекція помилок ніколи не полягала в повному усуненні помилок. Йдеться про те, щоб зробити їх настільки рідкісними, щоб машина могла виконати обчислення до кінця. Якщо майбутні проекти базуватимуться на стабільності та характеристиках масштабування Willow, може настати день, коли такі виправлення відбуватимуться за лаштунками, непомітними для користувачів.

Досягнення такого рівня відмовостійкості могло б дозволити квантовим комп’ютерам справлятися з робочими навантаженнями, які виходять далеко за межі досяжності класичного апаратного забезпечення. Це відкриває практичний шлях для розширення цих неймовірних машин.

Масштабування відмовостійкості за допомогою квантових мікросхем

Зусилля Google Quantum AI та інших груп у всьому світі не відбуваються у вакуумі. Сфера квантової корекції помилок привернула увагу багатьох дослідників, які прагнуть знайти шлях до практичних пристроїв.

За останнє десятиліття дослідження показали важливість певних дизайнів решітки та логічних кубітів, організованих у ретельних макетах. Зараз Віллоу показує, що за допомогою правильної архітектури чіпа та схем виправлення помилок можна переступити порогові значення. Це наближає всю галузь до створення машин, які вирішують корисні проблеми. Хоча подорож ще не закінчилася, одна важлива частина головоломки стала на місце.