Встречайте – новейший квантовый компьютер Willow

Примечание редакции Mobile-review.com. Мы подбираем материалы в раздел «Мнение», чтобы показать то, как воспринимают рынок компании в других странах. Мнения в таких материалах зачастую не совпадают со взглядами нашей редакции, но дают понимание рынка, его медийной составляющей.

По материалам Google Blog

На неделе компания Google представила свой новый квантовый компьютер Willow, который сама называет прорывом в мире квантовых вычислений. Размер этого компьютера в 105 кубитов уже сам по себе примечателен, но разработчики говорят, что он может больше, чем аналогичные модели. Все дело в том, что Google Quantum AI удалось реализовать на практике квантовую проверку на ошибки, что позволяет Willow гораздо успешнее справляться с задачами. Насколько? Ну, пока подробностей нет, то разработчики обещают, что уже в скором времени новый компьютер Google сможет приступить к работе над практическими и коммерческими задачами, выйдя за пределы простых математических вычислений. Когда и каких? На этот вопрос тоже пока нет ответа. Но давайте уже для дальнейшего обсуждения узнаем, что сами представители корпорации Google рассказали о своем детище. Слово Хартмуту Нивену (Hartmut Neven), основателю и руководителю Google Quantum AI.

Сегодня я рад представить Willow, наш новейший квантовый компьютер. Willow имеет самую передовую производительность по ряду показателей, что сделало возможными два крупных достижения.

Во-первых, Willow может экспоненциально уменьшать количество ошибок по мере увеличения количества используемых кубитов. Это решает ключевую задачу в области квантовой коррекции ошибок – работа в данной области велась на протяжении почти 30 лет.

Во-вторых, Willow произвел стандартное эталонное вычисление менее чем за пять минут, что заняло бы у одного из самых быстрых сегодня суперкомпьютеров 10 септиллионов (то есть 10²⁵) лет — срок, значительно превышающий возраст Вселенной.

Компьютер Willow — это важный шаг на пути, который начался более 10 лет назад. Когда я основал Google Quantum AI в 2012 году, задачей я видел построение полезного большого квантового компьютера, который мог бы использовать квантовую механику — «операционную систему» ​​природы в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, — чтобы принести пользу обществу, продвигая научные открытия, разрабатывая полезные приложения и решая некоторые из величайших проблем общества. В рамках Google Research наша команда создала долгосрочную дорожную карту, и Willow – это значительный шаг на пути к коммерческому применению.

Экспоненциальная квантовая коррекция ошибок — ниже порогового значения!

Ошибки — одна из самых больших проблем в квантовых вычислениях, поскольку кубиты, единицы вычисления в квантовых компьютерах, имеют тенденцию быстро обмениваться информацией со своей средой, что затрудняет защиту информации, необходимой для завершения вычисления. Обычно, чем больше кубитов вы используете, тем больше ошибок будет появляться, и система становится классической.

Сегодня в Nature мы опубликовали результаты, показывающие, что чем больше кубитов мы используем в Willow, тем сильнее мы снижаем количество ошибок и тем более квантовой становится система. Мы тестировали все большие массивы физических кубитов, увеличивая количество с сетки 3×3 закодированных кубитов до сетки 5×5, затем до сетки 7×7 — и каждый раз, используя наши последние достижения в области квантовой коррекции ошибок, мы имели возможность сократить частоту ошибок вдвое. Другими словами, мы достигли экспоненциального снижения частоты ошибок. Это историческое достижение известно в данной области под названием «ниже порогового значения» — возможность уменьшить количество ошибок, увеличивая при этом количество кубитов. Вы должны продемонстрировать, что находитесь ниже порога, чтобы показать настоящий прогресс в исправлении ошибок, что стало важнейшей задачей с тех пор, как квантовая коррекция ошибок была представлена Питером Шором в 1995 году.

Достигнутое включает в себя и другие научные результаты, полученные впервые. Например, это один из первых убедительных примеров исправления ошибок в реальном времени в сверхпроводящей квантовой системе. Это критически важно для любого полезного вычисления, потому что если вы не можете исправить ошибки достаточно быстро, они разрушат ваше вычисление до того, как оно будет выполнено. И это демонстрация «выше порога безубыточности», где наши массивы кубитов живут дольше, чем отдельные физические кубиты, что является неопровержимым признаком того, что исправление ошибок улучшает систему в целом.

В качестве первой системы ниже порогового значения это самый убедительный прототип масштабируемого логического кубита, созданный на сегодняшний день. Что является убедительным признаком того, что полезные, очень большие квантовые компьютеры действительно могут быть построены. Willow приближает нас к запуску практических, коммерчески значимых алгоритмов, которые невозможно воспроизвести на обычных компьютерах.

10 септиллионов лет на одном из самых быстрых сегодняшних суперкомпьютеров

Для измерения производительности Willow мы использовали тест случайной выборки схем (random circuit sampling, RCS). Впервые разработанный нашей командой и получивший широкое распространение в качестве стандарта в этой области, RCS является классически самым сложным тестом, который можно выполнить на квантовом компьютере сегодня. Можно представить это себе как точку входа для квантовых вычислений — он проверяет, можно ли сделать на квантовом компьютере что-то, что не может быть сделано на классическом компьютере. Любая команда, создающая квантовый компьютер, должна сначала проверить, может ли он превзойти классические компьютеры в тесте RCS. В противном случае есть веские основания для скепсиса по поводу того, что он может решать более сложные квантовые задачи. Мы последовательно использовали этот тест для оценки прогресса между поколениями компьютеров. Мы сообщали о результатах Sycamore в октябре 2019 года и недавно, в октябре 2024 года.

Производительность Willow в этом тесте поразительна: он менее чем за пять минут выполнил вычисление, которое заняло бы у одного из самых быстрых на сегодняшний день суперкомпьютеров 10²⁵ или 10 септиллионов лет. Если вам хочется записать, то это выглядит так: 10 000 000 000 000 000 000 000 000 лет. Это ошеломляющее число выходит за пределы известных временных отрезков в физике и значительно превышает возраст Вселенной. Это свидетельствует в пользу того, что квантовые вычисления происходят во многих параллельных вселенных, соответствуя идее о том, что мы живем в мультивселенной — прогноз, впервые сделанный Дэвидом Дойчем.

Последние результаты Willow, как показано на графике ниже, являются нашими лучшими на данный момент, но мы продолжим добиваться улучшений.

Наша оценка того, насколько Willow опережает один из самых мощных в мире классических суперкомпьютеров Frontier, основывалась на консервативных предположениях. Например, мы предположили полный доступ к вторичному хранилищу, т. е. жестким дискам, без каких-либо ограничений пропускной способности — щедрая и нереалистичная уступка Frontier. Конечно, как и произошло после того, как мы объявили о первом неклассическом вычислении в 2019 году, мы ожидаем, что классические компьютеры продолжат совершенствоваться в этом тесте, но быстро растущий разрыв показывает, что квантовые процессоры выходят вперед, имея удвоенный экспоненциальный рост, и продолжат значительно превосходить классические компьютеры по мере масштабирования.

Топовая производительность

Willow был изготовлен на нашем новом современном производстве в Санта-Барбаре — на одном из немногих в мире предприятий, построенных с нуля для этой цели. Системная инженерия является ключевой при проектировании и изготовлении квантовых чипов: все компоненты чипа, такие как одно- и двухкубитные вентили, сброс кубита и считывание, должны быть одновременно хорошо спроектированы и интегрированы. Если какой-либо компонент отстает или два компонента не работают вместе, это снижает производительность системы. Таким образом, максимизация производительности системы влияет на все аспекты нашего процесса, от архитектуры и производства чипа до разработки и калибровки вентилей. Когда мы сообщаем о достижениях, мы оцениваем квантовые вычислительные системы комплексно, а не только по одному фактору за раз.

Мы фокусируемся на качестве, а не только на количестве, потому что простое производство большего количества кубитов не поможет, если они недостаточно высокого качества. Имея 105 кубитов, Willow теперь показывает лучшую в своем классе производительность по двум системным показателям, обсуждаемым выше: квантовая коррекция ошибок и случайная выборка схем. Такие алгоритмические тесты являются лучшим способом измерения общей производительности компьютера. Другие, более конкретные показатели производительности также важны. Например, наше время T1, которое измеряет, как долго кубиты могут сохранять возбуждение — ключевой квантовый вычислительный ресурс — теперь приближается к 100 мкс (микросекундам). Это впечатляющее улучшение примерно в 5 раз по сравнению с нашим предыдущим поколением чипов. Если вы хотите оценить аппаратные возможности и сравнить их между платформами, вот таблица основных характеристик:

Что дальше — с Willow и вообще

Следующая задача в данной области — продемонстрировать первое «полезное, выходящее за рамки классики» вычисление на современных квантовых компьютерах, которое будет связано с реальным применением. Мы с оптимизмом смотрим на то, что поколение компьютеров Willow поможет нам достичь этой цели. На данный момент было проведено два отдельных типа экспериментов. С одной стороны, мы запустили тест RCS, который измеряет производительность по сравнению с классическими компьютерами, но не имеет известных реальных сценариев применения. С другой стороны, мы провели интересные с научной точки зрения симуляции квантовых систем, которые привели к новым научным открытиям, но все еще находятся в пределах досягаемости классических компьютеров. Наша цель — сделать и то и другое одновременно — ступить на территорию алгоритмов, которые находятся за пределами возможностей классических компьютеров и которые полезны для реальных, коммерчески значимых задач.

Мы приглашаем исследователей, инженеров и разработчиков присоединиться к нам в этом путешествии, изучив наше программное обеспечение с открытым исходным кодом и образовательные ресурсы, включая наш новый курс на Coursera, где разработчики могут постичь основы квантовой коррекции ошибок и помочь нам создать алгоритмы, которые смогут решать проблемы будущего.

Мои коллеги иногда спрашивают меня, почему я оставил бурно развивающуюся область ИИ, чтобы сосредоточиться на квантовых вычислениях. Я отвечаю, что обе технологии повлекут больше всего перемен в наше время, но продвинутый ИИ существенно выиграет от доступа к квантовым вычислениям. Вот почему я назвал нашу лабораторию Quantum AI. На стороне квантовых алгоритмов — фундаментальные законы масштабирования, как мы видим на примере RCS. Сходные возможности масштабирования существуют для многих фундаментальных вычислительных задач, которые необходимы для ИИ. Таким образом, квантовые вычисления будут незаменимы для сбора обучающих данных, которые недоступны классическим машинам, обучения и оптимизации определенных обучающих архитектур и моделирования систем, где важны квантовые эффекты. Это включает содействие нам в открытии новых лекарств, проектировании более эффективных батарей для электромобилей и ускорении прогресса в области термоядерного синтеза и создания новых энергетических альтернатив. Многие из этих будущих сценариев применения, которые могут изменить нашу жизнь, не будут осуществимы на классических компьютерах. Они ждут того, чтобы стать доступными с помощью квантовых вычислений.