В крайна сметка обикновените компютри могат да победят квантовия компютър на Google Наука

Ако ерата на квантовите компютри е изгряла преди 3 години, нейното изгряващо слънце може да се е скрило зад облак. През 2019 г. изследователи на Google заявиха, че са преминали крайъгълен камък, известен като квантово надмощие, когато техният квантов компютър Sycamore извърши за 200 секунди неясно изчисление, което според тях ще свърже суперкомпютър за 10 000 години. Сега учените в Китай са направили изчислението за няколко часа с обикновени процесори. Казват, че един суперкомпютър би могъл да победи направо Sycamore.

„Мисля, че са прави, че ако имаха достъп до достатъчно голям суперкомпютър, биха могли да симулират… задачата за няколко секунди“, казва Скот Арънсън, компютърен учен от Тексаския университет, Остин. Напредъкът отнема малко от блясъка на твърдението на Google, казва Грег Куперберг, математик от Калифорнийския университет в Дейвис. „Да стигнеш до 300 фута от върха е по-малко вълнуващо, отколкото да стигнеш до върха.“

И все пак, обещанието за квантовите изчисления остава непокътнато, казват Куперберг и други. И Серхио Боиксо, главен учен за Google Quantum AI, каза в имейл, че екипът на Google знае, че предимството му може да не се задържи много дълго. „В нашата статия от 2019 г. казахме, че класическите алгоритми ще се подобрят“, каза той. Но “не смятаме, че този класически подход може да се справи с квантовите вериги през 2022 г. и след това.”

„Проблемът“, разрешен от Sycamore, е проектиран да бъде труден за конвенционален компютър, но възможно най-лесен за квантов компютър, който манипулира кубити, които могат да бъдат зададени на 0, 1 или — благодарение на квантовата механика — всяка комбинация от 0 и 1 по същото време. Заедно 53-те кубита на Sycamore, малки резониращи електрически вериги, направени от свръхпроводящ метал, могат да кодират всяко число от 0 до 253 (приблизително 9 квадрилиона) — или дори всички наведнъж.

Започвайки с всички кубити, зададени на 0, изследователите на Google приложиха към единични кубити и двойки произволен, но фиксиран набор от логически операции или порти, над 20 цикъла, след което прочетоха кубитите. Грубо казано, квантовите вълни, представляващи всички възможни изходи, се плискат между кубитите и портите създават смущения, които подсилват някои изходи и анулират други. Така че някои трябва да са се появили с по-голяма вероятност от други. В продължение на милиони изпитания се появи модел на пикантен резултат.

Изследователите на Google твърдят, че симулирането на тези ефекти на смущение би надвило дори Summit, суперкомпютър в Националната лаборатория в Оук Ридж, който има 9216 централни процесори и 27 648 по-бързи графични процесори (GPU). Изследователи от IBM, които разработиха Summit, бързо контрираха, че ако използват всеки бит твърд диск, достъпен за компютъра, той може да се справи с изчисленията за няколко дни. Сега Пан Джан, физик-статист в Института по теоретична физика към Китайската академия на науките, и колегите му показаха как да победим Sycamore в статия в пресата на Писма за физически преглед.

Следвайки други, Джан и колегите преработват проблема като 3D математически масив, наречен тензорна мрежа. Състои се от 20 слоя, по един за всеки цикъл от порти, като всеки слой се състои от 53 точки, по една за всеки кубит. Линиите свързваха точките, за да представят вратите, като всяка врата беше кодирана в тензор – 2D или 4D мрежа от комплексни числа. Провеждането на симулацията след това се свежда до, по същество, умножаване на всички тензори. „Предимството на метода на тензорната мрежа е, че можем да използваме много графични процесори, за да правим изчисленията паралелно“, казва Джан.

Джан и колегите му също разчитаха на ключово прозрение: изчисленията на Sycamore далеч не бяха точни, така че и техните не трябваше да бъдат. Sycamore изчисли разпределението на изходите с приблизителна точност от 0,2% – точно достатъчно, за да разграничи подобната на пръстови отпечатъци шипове от шума в електрическата верига. Така че екипът на Джан замени точността за скорост, като преряза някои линии в своята мрежа и елиминира съответните портове. Загубата на само осем реда направи изчислението 256 пъти по-бързо, като същевременно поддържа точност от 0,37%.

Изследователите изчисляват изходния модел за 1 милион от 9-те квадрилиона възможни числови низа, разчитайки на собствена иновация, за да получат наистина случаен, представителен набор. Изчислението отне 15 часа на 512 графични процесора и даде издайнически пикантен резултат. „Справедливо е да се каже, че експериментът на Google е симулиран на конвенционален компютър“, казва Доминик Ханглайтер, квантов компютърен учен в Университета на Мериленд, Колидж Парк. На суперкомпютър изчислението ще отнеме няколко десетки секунди, казва Джан – 10 милиарда пъти по-бързо, отколкото е изчислил екипът на Google.

Напредъкът подчертава клопките на състезанието на квантов компютър срещу конвенционален, казват изследователите. „Има спешна нужда от по-добри експерименти за квантово надмощие“, казва Арънсън. Джан предлага по-практичен подход: “Трябва да намерим някои реални приложения, за да демонстрираме квантовото предимство.”

И все пак, демонстрацията на Google не беше просто реклама, казват изследователите. Sycamore изисква много по-малко операции и по-малко енергия от суперкомпютър, отбелязва Джан. И ако Sycamore имаше малко по-висока точност, казва той, симулацията на неговия екип не би могла да се справи. Както Ханглайтер казва, „Експериментът на Google направи това, което трябваше да направи, да започне тази надпревара.“

Leave a Comment