6 Minutės
Google Quantum AI komanda pristatė Willow — 105 superlaidų kubitų procesorių, kurį įmonė teigia pranašesniu už šiandieninius greičiausius klasikinius superkompiuterius tam tikriems skaičiavimams maždaug 13 000 kartų. Straipsnis, paskelbtas žurnale Nature, pateikiamas kaip vienas aiškiausių praktinių kvantinio pranašumo demonstracijų egzistuojančioje literatūroje. Šis rezultatas įtraukia ne tik akademinę diskusiją apie eksperimentinę patikimumą, bet ir platesnį dialogą apie kvantinės kompiuterijos taikymus moksle ir pramonėje.
Už antraštės: ką Willow iš tikrųjų atliko
Willow vykdė Quantum Echoes algoritmą — bandymą, skirtą tirti kvantinį chaosą ir sudėtingą daugelio dalelių (many-body) kvantinių sistemų dinamiką. Skirtingai nuo 2019 m. „Sycamore“ demonstracijos, kurią Google atliko su labai specializuotu atsitiktinės imties (random-sampling) uždaviniu, Willow rezultatai labiau atitinka mokslinius naudojimo atvejus: aukštesnės tikslumo molekulių struktūrų ir elektroninių tarpusavio sąveikų modeliavimą, taip pat dinaminių kvantinių procesų simuliacijas.
Quantum Echoes testas yra suprojektuotas taip, kad išryškintų tiek vienetinių kubitų operacijų kokybę, tiek kelių kubitų tarpusavio suėtinumo (entanglement) lygį per daugiterpalę evoliuciją. Tyrimo metu Willow sugebėjo sugeneruoti pasikartojančias, statistiškai patikimas išvestis, kurias autoriai palygino su klasikinėmis skaitmeninėmis simuliacijomis. Šis palyginimas leido įvertinti ne tik greičio santykį, bet ir rezultatų patikimumą arba reikšmingumą realiems moksliniams skaičiavimams.
Komandos teigimu, kiekvienas iš Willow 105 superlaidumo kubitų gali užimti superpozicines būsenas ir tapti susiejamas su kitais kubitais (entanglement), leidžiant lustui vienu metu ištirti milžinišką galimų kvantinių būsenų erdvę. Aparatūra pasiekė itin mažą klaidų lygį: vieno kubito vartų (single-qubit gate) tikslumas (fidelity) yra apie 99,97 %, o dviejų kubitų sujungimo (two-qubit entangling) operacijų tikslumas priartėja prie 99,88 %. Šie rodikliai yra esminiai, nes leidžia sumažinti kauptines klaidas didėjant kvantinėms grandinėms ir ilgėjant evoliucijos laikams.
Reikšmingas aspektas yra eksperimentų reproducibility — t. y. gebėjimas pakartoti testą ir gauti patikimus rezultatus. Willow atveju autoriai pateikė išsamias manipuliacijų sekų aprašus ir statistinius analizės metodus, kad kiti tyrėjai galėtų nepriklausomai patikrinti teiginius. Tokios skaidrios metodikos ir ataskaitos yra svarbios kvantinio pranašumo (quantum advantage) tvirtinimui mokslo bendruomenėje.
Kodėl tyrėjus tai džiugina (ir kodėl jie atsargūs)
Michel Devoret — vienas vyriausių projekto fizikos vadovų — įvardijo procesorių kaip įrodymą, kad inžineriniai elektriniai grandynai gali elgtis kaip „dirbtiniai atomai“, atverdami laboratoriją atominiams sąveikų tyrimams be kai kurių įprastų aproksimacijų. Tai nėra vien reklaminis pareiškimas: didesnis vartų tikslumas ir stipresnis suėtinumas reiškia, kad kvantiniai įrenginiai gali atlikti tokių simuliacijų, kurių klasikiniai modeliai negali efektyviai atvaizduoti, tipą.
Tyrėjams ypač svarbu tai, kad Willow eksperimento fokusas nukrypo nuo grynai matematinių ar statinių užduočių į dinamiškai reikšmingesnius testus. Tai artina kvantinių procesorių demonstracijas prie realių taikymų: chemijos simuliacijos, medžiagų mokslas, elektroninės struktūros modeliavimas ir optimizacijos problemos. Kai kurie ekspertai pažymi, kad tokie eksperimentai yra labiau atspindintys potencialią kvantinės kompiuterijos naudą medicininių molekulių atradimuose, naujų katalizatorių kūrime ar pažangiuose baterijų sprendimuose.
Tuo pačiu metu bendruomenė lieka atsargi. Kritikai atkreipia dėmesį, kad kvantinis pranašumas dažnai yra konteksto ir metrikos klausimas: kas laikoma „greičiau“ ar „sunkiau“ konkrečiame uždavinyje priklauso nuo optimizuotų klasikinių algoritmų, prieigos prie specializuotos aparatūros ir tikslių palyginimo parametrų. Todėl reikalingas tolimesnis nepriklausomas vertinimas ir reproducinamumo testai įvairiomis sąlygomis.
Tolesni vertinimai ir nepriklausomos replikacijos yra būtinos sąlygos, kad rezultatas būtų pripažintas platesnėje mokslinėje bendruomenėje ir kad būtų aišku, kiek Willow pasiekimai yra specifiniai eksperimentinėms aplinkybėms, o kiek — universalūs rodikliai kvantinio kompiuterio efektyvumui.
Ką praktikoje tai reiškia ir kur slypi kliūtys
Praktinės pasekmės gali būti reikšmingos. Tikslesnės kvantinės simuliacijos gali pagreitinti vaistų kūrimą, leidžiant modeliuoti chemines reakcijas su didesniu tikslumu ir mažesnėmis aproksimacijomis. Medžiagų moksle tai gali reikšti greitesnį pažangios baterijų technologijos ar superlaidžių medžiagų atradimą. Be to, kvantiniai sprendimai gali pagerinti tam tikras dirbtinio intelekto optimizacijos užduotis, ypač tas, kur reikalingas didelio masto kombinatorinis paieškas ar daugiapakopės energijos paviršių analizės — ir visa tai su potencialiai mažesniu energijos suvartojimu nei lygiavertės klasikinių sistemų simuliacijos.
Tačiau svarbiausia problema išlieka perėjimas nuo triukšmingų fizinių kubitų (noisy physical qubits) prie didelio masto klaidų koreguotų loginų kubitų (error-corrected logical qubits). Nors Willow pasižymi aukšta pavienių vartų fideliteto verte, šiandieninės kvantinės grandinės vis tiek renka klaidas, kurios kaupiasi su grandinės gylio didėjimu. Efektyvi kvantinė klaidų korekcija reikalauja didžiulio kiekio fizinių kubitų, kad būtų užtikrinta vieno loginio kubito stabilumas — todėl architektūros mastelio didinimas (scaling) yra kertinė inžinerinė užduotis.
Be to, terminis valdymas, vibracijų izoliacija ir elektromagnetinis ekranavimas lieka sudėtingais praktiniais iššūkiais. Superlaidūs kubitai reikalauja itin mažų temperatūrų (miliKelvinų diapazone), todėl šaldymo grandinės tampa brangios ir sudėtingos. Kiekvienas papildomas kubitas didina kontrolės ir readout grandinių skaičių, todėl kontrolės elektronikos integracija ir laidų valdymas tampa svarbiomis architektūrinėmis problemomis.
Taip pat reikia pažymėti softwarinio sluoksnio vaidmenį: kvantinis programavimas, kvantinių kompiliatorių optimizacijos ir hibridiniai kvantinis‑klasikiniai darbo srautai yra būtini, kad aparatinės galimybės būtų efektyviai išnaudotos konkretiems uždaviniams. Willow demonstracija akcentuoja aparatūros pažangą, tačiau pilnai funkcionuojančios kvantinės kompiuterijos ekosistemos sukūrimui reikia kartu vystyti ir programinės įrangos sprendimus bei standartizuotus benchmarkus.
Vis dėlto Willow žingsnis į priekį yra reikšmingas: tai reproducibilus, recenzuotas eksperimentas, rodantis, kad aparatinė įranga gali duoti patikimus, patikrintinus ir potencialiai naudingus rezultatus. Tyrėjams ir pramonės stebėtojams tai rodo, jog kvantinės platformos pamažu pereina nuo įdomių laboratorinių eksperimentų prie rimtų įrankių, kuriuos verta toliau plėtoti ir integruoti į mokslinius bei pramoninius procesus.
Galiausiai svarbu atkreipti dėmesį į kontekstą: nors Willow demonstruoja aiškius pasiekimus keliose techninėse dimensijose (kubitų skaičius, vartų fidelitetas, entanglement kokybė), kelias iki universalaus, klaidų koreguoto kvantinio kompiuterio vis dar yra ilgas ir kupinas tarpinio darbo. Tuo pačiu Willow suteikia praktinių gairių, kur reikia sutelkti tyrimus: efektyvesnė klaidų korekcija, modulinių ir mastelio didinimo architektūrų kūrimas, energijos vartojimo mažinimas ir programinių įrankių brandinimas.
Šio tipo eksperimentai taip pat skatina tarptautinį bendradarbiavimą ir standartizaciją kvantinės metrologijos srityje — nuo to, kaip matuojama vartų fidelitetas, iki to, kaip vertinamas kvantinio pranašumo praktinis pritaikomumas. Tokie standartai bus svarbūs, kai industrijos ir mokslas pradės plačiau diegti kvantines technologijas realiose gamybos grandinėse, energetikoje, farmacijoje ir kituose sektoriuose.
Šaltinis: gizmochina
Komentarai
mokslas
Ar tikrai 13k? skamba per greitai jei nežinai visų palyginimo sąlygų. Kas lygino klasikinius algoritmus, kokia hardware prieiga? reikia atvirų duomenų ir replikacijų, tada kalbėsim rimtai
kryptis
wow neįtikėtina! 13 000 kartų? jei taip — galimybės milžiniškos, bet praktiškai aušinimas, laidai, klaidų korekcija niekur nedingo. Reikės daugiau replikacijų... viltys didelės, bet laukiu nepriklausomų patikrinimų
Palikite komentarą