Квантовая механика существует уже более 120 лет. От эксперимента с двумя щелями до мысленного эксперимента с котом Шредингера она всегда считалась одним из самых загадочных и сложных законов физики.
Американский физик-теоретик Ричард Фейнман однажды сказал: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, вы не понимаете квантовую механику».
Хотя квантовая механика кажется нам далекой, ее развитие идет быстрыми темпами: в 2016 году Китай успешно запустил спутник для проведения квантовых научных экспериментов «Micius»; в 2022 году Нобелевская премия по физике была присуждена трем ученым за их вклад в «квантовую информатику».
Недавно Google также добилась значительного прогресса в области квантовой механики, что было названо «вехой» инноваций.
Хартмут Невен, основатель и руководитель команды Google Quantum AI, объявил в своем блоге о запуске своего новейшего квантового чипа «Willow», заявив, что он прокладывает путь к крупномасштабным квантовым компьютерам.
В статье Невен заявил, что этот чип «обладает самой высокой производительностью по многим показателям» и «добился двух важных достижений»:
- Во-первых, Уиллоу увеличил количество «кубитов» (105) и «значительно» уменьшил количество ошибок;
- Во-вторых, Willow завершила свой последний «тест производительности случайной выборки цепи (RCS)» менее чем за 5 минут.
Чтобы понять эти революционные достижения, нам необходимо понять, как работают квантовые компьютеры и квантовые чипы.
Основная концепция квантовой механики — «суперпозиция», которая означает, что квантовая система может существовать в нескольких состояниях одновременно. Квантовые компьютеры используют эту суперпозицию для создания «квантовых битов (кубитов)», фундаментальных единиц вычислений в квантовых компьютерах.
В отличие от двоичных битов в классических компьютерах, кубиты могут находиться в «суперпозиции» как 0, так и 1 одновременно. Это состояние позволяет квантовым компьютерам обрабатывать несколько вычислительных путей или состояний одновременно, что делает их более быстрыми и эффективными, чем классические компьютеры, для решения определенных сложных задач.
Кроме того, между кубитами существует особая связь, называемая «квантовой запутанностью»: когда кубиты запутаны, состояние одного кубита немедленно влияет на состояние другого, независимо от расстояния между ними.
Таким образом, зная состояние одного кубита, мы можем вывести состояния других кубитов, что позволяет передавать информацию. Эта функция делает квантовые компьютеры более эффективными в обмене и передаче информации при решении сложных задач.
Однако состояние кубитов очень хрупкое и легко нарушается внешними факторами (такими как температура, вибрация, электромагнитные помехи), что приводит к потере квантовой информации — явлению, известному как «квантовая декогеренция». Из-за запутанности ошибки могут распространяться от одного кубита к другим, влияя на вычислительные возможности.
Более того, поскольку кубиты имеют тенденцию быстро обмениваться информацией со своей средой, сложно защитить информацию, необходимую для завершения вычислений. Обычно, чем больше кубитов использует квантовый компьютер, тем больше ошибок происходит, что повышает вероятность возврата всей системы к «классической системе».
Однако, по словам Хартмута Невена, исследователи Google представили новый метод «квантовой коррекции ошибок», который позволяет чипу Willow уменьшать количество ошибок по мере использования большего количества кубитов, причем частота ошибок уменьшается экспоненциально.
Хартмут Невен упоминает, что это историческое достижение в этой области известно как «ниже порога», что означает уменьшение ошибок при увеличении числа кубитов. Хартмут Невен также подчеркивает, что с тех пор, как Питер Шор представил квантовую коррекцию ошибок в 1995 году, это стало чрезвычайно сложной задачей.
Таким образом, «ниже порога» демонстрирует «реальный прогресс в исправлении ошибок», а Willow — первая система ниже порога, что указывает на возможность создания сверхбольших квантовых компьютеров. Этот результат исследования также был опубликован в журнале «Nature».
В статье упоминается, что Уиллоу завершила Тест случайной выборки цепи (RCS), описанный как «самый сложный классический бенчмарк-тест на квантовых компьютерах на сегодняшний день», всего за 5 минут. Хартмут Невен утверждает, что последние результаты Уиллоу — «лучшие на данный момент».
Для сравнения, самому быстрому в мире суперкомпьютеру потребуется 10^25 лет, чтобы завершить RCS, что превышает возраст Вселенной (примерно 13.8 миллиарда лет).
Случайная выборка цепей (RCS) — это метод, используемый для оценки производительности квантовых компьютеров. Основная идея заключается в использовании квантового компьютера для выполнения случайно выбранных операций квантового вентиля, генерации случайных квантовых состояний, а затем выборки и измерения этих квантовых состояний.
RCS была впервые предложена командой Хартмута Невена, которая утверждает, что теперь это «универсальный стандарт в этой области".
Стоит отметить, что в 2019 году Google заявила, что ее квантовый процессор «Sycamore» может за три минуты выполнить расчет, на который самому быстрому в мире суперкомпьютеру потребуется десять тысяч лет, подчеркнув, что их исследовательская группа достигла «квантовое превосходство".
IBM оспорила результаты испытаний Sycamore, а термин «квантовое превосходство» также вызвал серьезные споры, несмотря на настойчивые заявления Google о том, что это всего лишь «художественный термин». Впоследствии Google старался избегать использования этого термина, заявляя вместо этого, что они достигли «выше классических вычислений».
Кроме того, IBM и Honeywell обычно используют термин «квантовый объем» для описания и количественной оценки своих квантовых вычислительных устройств в своих исследованиях квантовой механики, концепция, которую Google вообще не использует. Отсутствие единого стандарта затрудняет сравнение конкурирующих продуктов.
Хартмут Невен упоминает, что квантовая технология может применяться для сбора данных об обучении искусственного интеллекта, разработки новых энергетических транспортных средств и открытия новых лекарств.
Хартмут Невен также с нетерпением ждет следующей цели исследований Google в области квантовой механики: завершить вычисления, которые одновременно «имеют отношение к практическим программам» и «невозможно выполнить на классических компьютерах», что делает их по-настоящему «полезными» и «выходящими за рамки классики».
Источник из ифанр
Отказ от ответственности: информация, изложенная выше, предоставлена ifanr.com независимо от Chovm.com. Chovm.com не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий относительно качества и надежности продавца и продукции. Chovm.com категорически отказывается от какой-либо ответственности за нарушения авторских прав на контент.
