Calculatoarele cuantice de astăzi au o gamă de calcul mică, cu cipuri în interiorul smartphone-urilor conținând miliarde de tranzistori, în timp ce cele mai puternice computere cuantice conțin sute de tranzistori cuantici echivalent. De asemenea, sunt nesiguri. Dacă faceți același calcul din nou și din nou, este probabil să obțineți un răspuns diferit de fiecare dată.
Calculatoarele cuantice, totuși, au capacitatea inerentă de a lua în considerare multe posibilități simultan, așa că nu trebuie să fie atât de masive pentru a aborda anumite probleme spinoase ale calculului. Cercetătorii IBM au anunțat miercuri că au conceput o modalitate de a gestiona nefiabilitatea în următoarele moduri: Veți primi răspunsuri de încredere și utile.
„Ceea ce a arătat IBM aici este un pas cu adevărat uimitor și important în direcția trecerii către proiectarea unui algoritm cuantic cu drepturi depline”, a spus un profesor de informatică la Universitatea Ebraică din Ierusalim, care nu a fost implicat în cercetare. Profesorul Dorit Aharonov a spus.
În 2019, cercetătorii Google au susținut că A atins „supremația cuantică” — Această sarcină rulează mult mai rapid pe computerele cuantice decât pe computerele convenționale — Cercetătorii IBM spun că au realizat ceva nou și mai util, deși cu un nume mai modest.
„Intrăm în această fază a calculului cuantic, pe care o numesc utilitate”, a declarat Jay Gambetta, vicepreședinte IBM Quantum. „Epoca practicității”.
O echipă de oameni de știință IBM care lucrează sub conducerea Dr. Gambetta El a descris rezultatele într-o lucrare publicată miercuri în Nature..
Calculatoarele moderne sunt numite computere digitale sau clasice deoarece procesează informații de biți care sunt 1 sau 0, pornit sau oprit. Calculatoarele cuantice efectuează calcule pe biți cuantici (qubiți) care captează stări mai complexe de informații. Un qubit poate fi atât 1, cât și 0 în același timp, așa cum un experiment de gândire al fizicianului Erwin Schrödinger a postulat că o pisică ar putea fi atât în stare cuantică moartă, cât și în stare vie.
Acest lucru permite calculatoarelor cuantice să efectueze multe calcule într-o singură trecere, în timp ce computerele digitale trebuie să efectueze fiecare calcul individual. Prin accelerarea calculelor, calculatoarele cuantice au potențialul de a rezolva probleme mari și complexe în domenii precum chimia și știința materialelor, care sunt în prezent inaccesibile. Calculatoarele cuantice pot avea și o latură mai întunecată, amenințând confidențialitatea prin algoritmi care încalcă protecția folosită pentru parole și comunicații criptate.
Când cercetătorii Google și-au pretins supremația în 2019, computerul cuantic al companiei a spus că a efectuat în 3 minute și 20 de secunde un calcul care ar dura un supercomputer convențional, de ultimă generație, aproximativ 10.000 de ani.
Cu toate acestea, alți cercetători, inclusiv IBM, au respins afirmația, spunând că problema a fost creată de om. Dr. Aharonov, care este și directorul științific al companiei de calcul cuantic Qedma, a spus: „Experimentul Google a fost, pe cât de impresionant a fost, cu adevărat impresionant, dar fac ceva care nu este interesant pentru nicio aplicație.” a spus.
De asemenea, calculele Google s-au dovedit a fi mai puțin impresionante decât păreau prima dată. O echipă de cercetători chinezi a reușit să efectueze experimentul. Același calcul în puțin peste 5 minute pe un supercomputer non-cuanticAcest lucru a fost mult mai devreme decât cei 10.000 de ani estimați de echipa Google.
În noul studiu, cercetătorii IBM au îndeplinit o altă sarcină de interes pentru fizicieni. Ei au folosit un procesor cuantic cu 127 de qubiți pentru a simula comportamentul a 127 de magneți cu bare la scară atomică (suficient de mici pentru a fi guvernați de regulile misterioase ale mecanicii cuantice) într-un câmp magnetic. Este un sistem simplu cunoscut sub numele de modelul Ising și este adesea folosit pentru a studia magnetismul.
Problema este prea complexă chiar și pentru cele mai mari și mai rapide supercalculatoare să calculeze un răspuns exact.
Calculatoarele cuantice au durat mai puțin de o miime de secundă pentru a finaliza calculul. Fiecare calcul cuantic nu este de încredere, iar fluctuațiile zgomotului cuantic vor interveni inevitabil și vor induce erori. Dar fiecare calcul era atât de rapid încât putea fi executat în mod repetat.
De fapt, multe dintre calcule au adăugat intenționat zgomot, făcând răspunsurile și mai puțin fiabile. Cu toate acestea, variarea cantității de zgomot a permis cercetătorilor să descopere caracteristici specifice ale zgomotului și impactul acestuia la fiecare pas al calculului.
„Putem amplifica zgomotul foarte precis și reluăm același circuit”, a spus Abhinav Kandala, manager de capabilități cuantice și demonstrații la IBM Quantum și autor al lucrării Nature. „Odată ce avem aceste rezultate pentru diferite niveluri de zgomot, putem estima care ar fi rezultatele fără zgomot”.
În esență, cercetătorii pot scădea efectele zgomotului din calculele cuantice nesigure, pe care le numesc atenuarea erorilor.
„Trebuie să ocolim această problemă inventând modalități foarte inteligente de a reduce zgomotul”, a spus dr. Aharonov. „Și asta fac ei”.
Calculatorul a efectuat un total de 600.000 de calcule și a converjat către un răspuns pentru magnetizarea globală produsă de magneți de 127 de bari.
Dar cât de bun a fost răspunsul?
Echipa IBM a apelat la fizicienii de la Universitatea din California, Berkeley, pentru ajutor. Modelul Ising cu magneți de 127 bar este prea mare și are prea multe configurații posibile pentru a se potrivi pe un computer convențional, dar algoritmii clasici pot produce răspunsuri aproximative. Aceasta este aceeași tehnică folosită în comprimarea imaginilor JPEG pentru a reduce cantitatea de date prin eliminarea datelor mai puțin importante. Reduce dimensiunea fișierului, păstrând în același timp majoritatea detaliilor imaginii.
Michael Zaretel, profesor de fizică la Universitatea din Berkeley și autor al lucrării Nature, a declarat că, când a început să lucreze la IBM, credea că algoritmul său clasic va funcționa mai bine decât cel cuantic.
„S-a dovedit puțin diferit decât ne așteptam”, a spus dr. Zaletel.
Anumite configurații ale modelului Ising pot fi rezolvate exact, iar atât algoritmii clasici, cât și cei cuantici sunt de acord cu exemple mai simple. Pentru cazuri mai complexe, dar mai rezolvabile, algoritmii cuantici și clasici au produs răspunsuri diferite, iar algoritmul cuantic a fost corect.
Deci, pentru alte cazuri în care calculul cuantic și cel clasic diferă și soluția exactă este necunoscută, „există motive să credem că rezultatele cuantice sunt mai precise”, spune un student absolvent de la Berkeley și o mare parte din cercetare, a spus Sajant Anand, care a condus Aproximație clasică.
Nu este clar dacă calculul cuantic este câștigătorul incontestabil față de metodele clasice ale modelului Ising.
Anand lucrează în prezent la adăugarea unei versiuni atenuate de erori a algoritmului clasic care ar putea egala sau depăși performanța calculului cuantic.
„Nu este clar dacă au atins supremația cuantică aici”, spune dr. Zaletel.
Pe termen lung, oamenii de știință cuantici speră că o altă abordare, corectarea erorilor, va fi capabilă să detecteze și să corecteze greșelile de calcul, deschizând ușa accelerării computerelor cuantice pentru o varietate de aplicații.
Corectarea erorilor este deja folosită în computerele convenționale și în transmisia de date pentru a remedia caracterele deformate. Dar pentru computerele cuantice, corectarea erorilor este probabil la câțiva ani, necesitând procesoare mai bune capabile să gestioneze mai mulți qubiți.
Oamenii de știință IBM cred că atenuarea erorilor este o soluție intermediară care poate fi folosită astăzi pentru probleme din ce în ce mai complexe dincolo de modelul Ising.
„Aceasta este una dintre cele mai simple probleme ale științelor naturale care există”, a spus dr. Gambetta. „Deci este un loc bun pentru a începe. Dar întrebarea acum este cum o putem generaliza pentru a aborda probleme mai interesante ale științelor naturale?”
Acestea pot include caracterizarea materialelor rare, accelerarea descoperirii medicamentelor și modelarea reacțiilor de fuziune.
