Компания Google разработала и протестировала новый квантовый чип Willow. Чтобы произвести вычисления, которые чип сделал за несколько минут, мощному суперкомпьютеру потребуется десять септиллионов лет — это возраст Вселенной. Опрошенные RT специалисты в области квантовых вычислений считают, что разработку действительно можно считать важным шагом для создания полноценного квантового компьютера. Дело в том, что до сих пор точность вычислений таких устройств падала по мере роста числа кубитов — элементов компьютера. Авторы нового чипа утверждают, что им удалось решить эту проблему. Однако заявление компании нуждается в проверке, отмечают эксперты.
- Gettyimages.ru
Разработчики компании Google опубликовали в научном журнале Nature статью, в которой раскрыли детали работы над новым квантовым чипом Willow. Как утверждают авторы, тесты показали, что чип, имеющий 105 кубитов, по скорости вычислений значительно опережает современные суперкомпьютеры. На решение задачи, которую чип просчитал за несколько минут, суперкомпьютеру Frontier потребовалось бы 10 септиллионов лет, что превосходит возраст Вселенной.
Разработчики сообщили, что создали метод, при котором точность вычислений квантового компьютера будет возрастать по мере увеличения числа кубитов. По словам разработчиков, это решает основную задачу, над которой учёные бились около 30 лет, а именно задачу квантовой коррекции ошибок. Дело в том, что ранее увеличение числа кубитов приводило к нарастанию числа ошибок в работе квантовых вычислительных устройств. Как отметил руководитель проекта Хартмут Невен, от прогресса в сфере квантовых вычислений серьёзно выиграет область искусственного интеллекта.
RT расспросил специалистов в сфере квантовых вычислений о том, какое значение для этой области исследований имеет разработка Google, а также как устроены такие чипы.
- Gettyimages.ru
- © Vertigo3d
— На каких принципах работает квантовый чип и что представляют собой квантовые кубиты?
Научный руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Сергей Кулик:
— На физическом уровне квантовый чип входит в состав криогенной установки; это большой криостат объёмом порядка пары кубометров. В центре установки располагается сам чип из сверхпроводника, размеры которого могут составлять несколько квадратных миллиметров. На нём разведены сверхпроводящие физические кубиты. На их базе нужно получить так называемые логические кубиты. Как правило, на тысячу физических кубитов приходится один логический — после использования специальной процедуры, которая позволяет исправить ошибки. Как утверждает Google, в их новом чипе 105 логических кубитов, а сколько физических — об этом пока не сообщается.
Также по теме
Как устроен квантовый компьютер, а также чем квантовый телефон отличается от обычного и насколько защищённым будет квантовый...
Научный руководитель Центра квантовых технологий Сбера Станислав Страупе:
— Как это работает? В классическом компьютере у нас информация кодируется двоичным кодом: нулями и единичками. В квантовой физике у нас есть система, у которой больше возможных состояний. За счёт этого можно реализовывать алгоритмы другого типа.
Основная сложность заключается в том, чтобы создать систему, в которой будет много таких элементарных носителей информации (их называют кубитами), и чтобы все эти кубиты согласованно работали.
Руководитель научной группы Российского квантового центра, директор Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС Алексей Фёдоров:
— Квантовый чип — это основной элемент квантового компьютера. Идея квантовых вычислений состоит в том, чтобы использовать законы квантовой физики, которые действуют на уровне микроскопических объектов — атомов и элементарных частиц, для повышения производительности вычислений. В частности, использовать принцип квантовой суперпозиции и квантовой запутанности.
- Gettyimages.ru
— В чём новизна разработки Google?
С.К.: Квантовое «железо» работает неидеально, сильно «шумит». Условно говоря, мы хотим на логическом уровне получить 0, а получаем 0,001. Эти шумы не позволяют произвести точные вычисления — сегодня это основная проблема квантовых компьютеров. Снижение порога ошибок является сегодня целью всех физиков, которые работают в данной области.
Также по теме
Российские учёные создали цифровую модель для управления квантовыми вычислениями. Квантовые компьютеры совершают операции намного...
Для этого нужно использовать специальные коды коррекции ошибок, которые позволят исправлять их непосредственно в процессе вычислений.
Успешное применение таких кодов откроет эпоху квантовых вычислений, сделает квантовые компьютеры повседневной реальностью. Однако пока всё ограничивается экспериментами. В своём заявлении Google сообщает, что как раз смогла реализовать такое решение. Впрочем, пока это только заявление компании, нуждающееся в проверке. Также пока не поддаётся проверке утверждение, что новый квантовый чип в септиллион раз быстрее суперкомпьютеров. Кроме того, в Google не раскрыли, какие именно применили алгоритмы в своём чипе. Поэтому пока сложно сказать, какие конкретно задачи сможет решать этот чип.
С.С.: Важно, что на этом чипе коллеги из Google смогли реализовать так называемые логические кубиты. Основное достоинство чипа Google в том, что разработчикам удалось сделать достаточно большое число кубитов, которые согласованно работают, и использовать хитрое кодирование, которое позволяет исправлять ошибки. Квантовые системы довольно хрупкие; когда есть какие-то внешние шумы — температуры и ещё что-то, — их квантовое состояние разрушается. Его надо активно корректировать, если мы хотим делать какие-то осмысленные вычисления без ошибок. На этом чипе продемонстрировано, что такая коррекция ошибок возможна и она действительно работает. Именно это мне кажется главным достижением, а не то, что он быстрее классического компьютера в какой-то отдельно взятой задаче.
- Квантовый процессор Google Sycamore
- globallookpress.com
- © Peter Kneffel
А.Ф.: Вычислительные возможности квантового компьютера определяются двумя параметрами. Первый — это количество кубитов, то есть минимальных информационных ячеек квантового компьютера. Чем больше кубитов, тем более сложную задачу можно решить. Однако есть второй важный параметр — это точность операции: насколько точно можно проводить операции с кубитами. Основное достижение коллег из Google состоит в том, что они добились высокой точности операций для системы из большого количества кубитов.
Также по теме
Основное преимущество квантовой телефонии — невозможность перехвата передаваемой информации. Об этом в интервью RT рассказал доктор...
В результате получился мощный квантовый чип, который смог решить тестовую задачу намного быстрее, чем суперкомпьютер. Это важное научное и технологическое достижение, которое приближает нас к практическому использованию квантовых компьютеров. Это значительный шаг в данном направлении, хотя, конечно, учёным ещё предстоит проделать большую работу.
Директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС, к.ф.-м.н. Наталия Малеева:
— Во-первых, этот чип по своим характеристикам существенно превосходит предыдущий процессор Google. Это уже само по себе значительное достижение для любой научной группы. Но наиболее важным результатом является преодоление порога коррекции квантовых ошибок. Коды коррекции квантовых ошибок подразумевают создание логического кубита из нескольких физических кубитов. Однако взаимодействие кубитов друг с другом негативно влияет на их свойства. Преодолеть порог коррекции квантовых ошибок — значит добиться того, что с увеличением количества физических кубитов ошибки в логических кубитах подавляются.
Профессор, главный научный сотрудник физического факультета ИТМО Иван Иорш:
— Важность Willow даже не в септиллионном ускорении. Потому что для демонстрации этой скорости авторы применили бенчмарк (программа для проверки корректности работы нейросети. — RT), который только Google и использует. Это бесполезный в реальной жизни алгоритм random circuit sampling — по сути, квантовый чип быстро симулирует самого себя, что в целом неудивительно.
Важно то, что была впервые продемонстрирована квантовая коррекция ошибок, позволяющая экспоненциально подавлять ошибки за счёт увеличения количества физических кубитов на один логический. Это открывает возможности для использования квантовых компьютеров для решения уже каких-то полезных задач.
- Gettyimages.ru
— Приближает ли эта разработка создание полноценного квантового компьютера? Какие задачи сможет решать такой компьютер?
С.К.: Если исходить из заявления компании, то это действительно можно назвать движением в правильном направлении. Совершенствование техники логических кубитов — единственно возможный путь к прогрессу квантовых компьютеров.
С.С.: Да, приближает. Именно реализация коррекции ошибок — это необходимый шаг для того, чтобы создать именно полноценный квантовый компьютер.
А.Ф.: Сейчас это в основном тестовые задачи, а также специализированные прикладные задачи небольшого масштаба. Например, в химии — моделирование молекул с целью создания новых лекарств, аккумуляторов и дизайна материалов. Задачи оптимизации, например, в логистике, а также задачи, связанные с машинным обучением и обработкой данных, информационной безопасностью и криптографией. Пока в силу достаточно малого числа кубитов и невысокой точности операций квантовые компьютеры не способны обогнать суперкомпьютеры в решении задач, которые я перечислил, в индустриальном масштабе. Но всё к этому движется. Пока квантовые процессоры побеждают классические в задачах тестовых — это и было продемонстрировано коллегами из компании Google.