IBM казва, че напредъкът на квантовите изчисления въвежда нова ера

Днешните квантови компютри са малки в изчислителния мащаб – чипът във вашия смартфон съдържа милиарди транзистори, докато най-мощният квантов компютър има няколкостотин квантови еквивалента на транзистор. Освен това са ненадеждни. Ако извършвате едно и също изчисление отново и отново, има вероятност те да дават различни отговори всеки път.

Но с присъщата им способност да разглеждат много възможности наведнъж, квантовите компютри не трябва да са толкова големи, за да се справят с някои от най-трудните проблеми на изчисленията, а в сряда изследователите на IBM обявиха, че са измислили начин за управление на ненадеждността в начин, който би довел до надеждни и полезни отговори.

„Това, което IBM показа тук, е наистина невероятно важна стъпка в тази посока за напредък към сериозен дизайн на квантов алгоритъм“, каза Дорит Ахаронов, професор по компютърни науки в Еврейския университет в Йерусалим, който не участва в изследването.

Докато изследователите на Google твърдяха през 2019 г., че са постигнали „квантово надмощие“ – задача, изпълнявана по-бързо на квантов компютър, отколкото на конвенционален компютър – изследователите на IBM казват, че са постигнали нещо ново и по-полезно, макар и с по-скромно име.

„Ние навлизаме в тази фаза на квантовите изчисления, която наричам полезност“, каза Джей Гамбета, вицепрезидент на IBM Quantum. „Епохата на полезността“.

Екип от учени на IBM, работещи за Dr. Гамбета Те описват откритията си в статия, публикувана в сряда в списание Nature.

Днешните компютри се наричат ​​цифрови или класически, защото работят с битове информация като 1 или 0, включени или изключени. Квантовият компютър извършва изчисления върху квантови битове или кубити, които улавят по-сложно състояние на информация. Точно както мисловен експеримент на физика Ервин Шрьодингер постулира, че котка може да бъде в мъртво и живо квантово състояние, кубитът може да бъде 1 и 0 едновременно.

Това позволява на квантовите компютри да извършват много изчисления с едно преминаване, докато цифровите устройства трябва да извършват всяко изчисление отделно. Чрез ускоряване на изчислителните процеси, квантовите компютри могат да решават големи и сложни проблеми в области като химия и наука за материалите, които са трудни за намиране днес. Квантовите компютри могат да имат и тъмна страна, като заплашват поверителността чрез алгоритми, които нарушават защитите, използвани за пароли и криптирани комуникации.

Когато изследователите на Google заявиха своето превъзходство през 2019 г., те казаха, че техният квантов компютър извършва изчисление за 3 минути и 20 секунди, което ще отнеме около 10 000 години за най-новия конвенционален суперкомпютър.

Но някои други изследователи, включително тези от IBM, отхвърлиха твърдението, заявявайки, че проблемът е измислен. „Експериментът на Google, макар и впечатляващ и наистина впечатляващ, прави нещо, което не е интересно за никакви приложения“, каза д-р Ахаронов, който също така служи като главен стратегически директор в Qedma, компания за квантови изчисления.

Акаунтът в Google също се оказа по-малко впечатляващ, отколкото изглеждаше първоначално. Екип от китайски изследователи успя да изпълни Същата изчислителна операция на не-квантов суперкомпютър за малко повече от пет минутимного по-бързо от 10 000 години, изчислени от екипа на Google.

В новото проучване изследователите на IBM поеха друга задача, която интригува физиците. Те използваха квантов процесор, съдържащ 127 кубита, за да симулират поведението на 127 магнитни ленти в атомен мащаб – достатъчно малки, за да бъдат управлявани от страшните правила на квантовата механика – в магнитно поле. Това е проста система, известна като модела на Изинг, която често се използва за изследване на магнетизма.

Този проблем е толкова сложен, че дори най-големите и бързи суперкомпютри не могат да изчислят точен отговор.

На квантов компютър изчислението отне по-малко от милисекунда, за да завърши. Всяко квантово изчисление беше ненадеждно – флуктуациите на квантовия шум неизбежно се намесват и възникват грешки – но всяко изчисление беше бързо, така че можеше да се прави многократно.

Наистина, за много акаунти умишлено е добавен допълнителен шум, което прави отговорите още по-ненадеждни. Но като променят количеството шум, изследователите могат да изведат специфичните свойства на шума и неговите ефекти на всяка стъпка от изчислението.

„Можем да усилим шума много прецизно и след това можем да пуснем отново същата верига“, каза Абхинав Кандала, директор на квантовите възможности и демонстрации в IBM Quantum и автор на статията Nature. „След като имаме резултатите за тези различни нива на шум, можем да екстраполираме какъв би бил резултатът, ако нямаше шум.“

По същество изследователите са успели да извадят шумовите ефекти от ненадеждни квантови изчисления, процес, който те наричат ​​смекчаване на грешките.

„Трябва да заобиколите това, като измислите много умни начини за намаляване на шума“, каза д-р Ахаронов. — И това правят.

Общо компютърът извърши изчислението 600 000 пъти, достигайки до отговор за общата магнетизация, произведена от 127-бара магнит.

Но колко добър е отговорът?

За помощ екипът на IBM се обърна към физици от Калифорнийския университет в Бъркли. Въпреки че 127-баровият магнитен модел на Ising е твърде голям, с твърде много възможни конфигурации, за да се побере на конвенционален компютър, класическите алгоритми могат да дадат приблизителни отговори, техника, подобна на това как компресираме JPEG изображения. Отървава се от по-малко важни данни, за да намали файла размер, като същевременно запазва повечето детайли на изображението.

Майкъл Залител, професор по физика в Бъркли и автор на статията Nature, каза, че когато е започнал да работи с IBM, е смятал, че неговите класически алгоритми ще работят по-добре от квантовите.

„Оказа се, че е малко по-различно, отколкото очаквах“, каза д-р Затъл.

Определени конфигурации на модела на Изинг могат да бъдат напълно решени и както класическите, така и квантовите алгоритми са съгласувани с по-простите примери. За по-сложни, но разрешими случаи квантовите и класическите алгоритми дават различни отговори и квантовият е правилният.

По този начин, за други случаи, когато квантовите и класическите изчисления се различават и няма известни точни решения, „има причина да се смята, че квантовият резултат е по-точен“, каза Саджант Ананд, студент в Бъркли, който е свършил много работа върху класическите приближения.

Не е ясно дали квантовите изчисления са безспорният победител над класическите техники на модела на Изинг.

В момента г-н Ананд се опитва да добави версия за смекчаване на грешките към класическия алгоритъм и е възможно той да съвпадне или да надмине производителността на квантовите изчисления.

„Не е ясно дали са постигнали квантово надмощие тук“, каза д-р Залител.

В дългосрочен план квантовите учени очакват, че различен подход, корекция на грешки, ще може да открива и коригира изчислителни грешки и това ще отвори вратата за по-бързи квантови компютри за много приложения.

Коригирането на грешки вече се използва в традиционните компютри и прехвърлянето на данни за коригиране на заглушаването. Но за квантовите компютри коригирането на грешки вероятно ще отнеме години, изисквайки по-добри процесори, способни да обработват повече кубити.

Учените от IBM вярват, че намаляването на грешките е временно решение, което вече може да се използва за все по-сложни проблеми извън модела на Ising.

„Това е един от най-простите природни научни проблеми“, каза д-р Гамбета. „Така че е добре да започнем с него. Но въпросът сега е как да го обобщите и да стигнете до по-интересните проблеми на природните науки?“

Това може да включва откриване на свойствата на екзотични материали, ускоряване на откриването на лекарства и моделиране на реакции на синтез.