Самый мощный квантовый компьютер на сегодняшний день
Обновлено: 01.07.2024
Квантовые вычисления все еще находятся на ранней стадии. В 2019 году Google объявила, что достигла квантового превосходства с помощью своего 54-кубитного процессора Sycamore, способного выполнять вычисления за 200 секунд. На эту задачу у самого мощного в мире суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. Теперь команда из Китая продемонстрировала, что у них есть самый мощный в мире квантовый компьютер, обогнав Google.
В нерецензируемой статье, опубликованной в конце прошлого месяца, группа под руководством Пана Цзяньвэя, физика из Университета науки и технологий Китая в Хэфэе, представила сверхсовременный квантовый суперкомпьютер с 66 кубитами под названием Zuchongzhi, который по одному важному показателю это самая мощная машина такого типа, которую мы когда-либо видели.
Согласно отчету Science Alert , Zuchongzhi выполнил задание по квантовому тесту примерно за 70 минут, и его создатели утверждают, что самый мощный в мире «классический» (неквантовый) суперкомпьютер на сегодняшний день потребуется около восьми лет, чтобы выполнить тот же набор вычислений.
В контексте квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, но обещают поднять вычислительную мощность на новый уровень, манипулируя субатомными частицами. Ученые надеются, что это поможет совершить прорыв в таких областях, как материаловедение и разработка новых лекарств.
«Наша работа устанавливает однозначное преимущество квантовых вычислений, которое невозможно для классических вычислений за разумное время. Платформа высокоточных и программируемых квантовых вычислений открывает новые возможности для изучения новых явлений многих тел и реализации сложных квантовых алгоритмов», — объясняют исследователи в препринте, описывающем эксперимент.
ЗАВИСИТ ЛИ БУДУЩЕЕ ЦИФРОВОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ НА КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРАХ?
Сумик Рой | 3 октября 2019 г.
Важно отметить, что ни один квантовый компьютер еще не готов выполнять полезную работу. Однако Google и ее конкуренты, включая IBM, Microsoft, Amazon, Intel и несколько крупных стартапов, в последние годы вложили значительные средства в разработку оборудования для квантовых вычислений. Google и IBM предлагают доступ к своим последним прототипам через Интернет, в то время как на облачных платформах Microsoft и Amazon размещается шведский стол квантового оборудования других производителей, включая Honeywell .
Квантовое превосходство и его влияние на реальный мир
Потенциальная мощь квантовых компьютеров проистекает из их основных строительных блоков, называемых кубитами. Подобно битам обычных компьютеров, они могут представлять нули и единицы данных; но кубиты также могут использовать квантовую механику для достижения необычного состояния, называемого суперпозицией, которое заключает в себе возможности обоих.
С достаточным количеством кубитов можно использовать вычислительные сокращения, недоступные обычным компьютерам, — преимущество, которое растет по мере того, как все больше кубитов работает вместе
Квантовые компьютеры еще не правят миром, потому что инженерам не удалось получить достаточное количество кубитов, работающих вместе достаточно надежно. Квантово-механические эффекты, от которых они зависят, очень деликатны. Google и китайская группа смогли провести свои эксперименты по превосходству, потому что им удалось собрать относительно большое количество кубитов.
В эксперименте Google использовался сверхпроводящий чип Sycamore с 54 кубитами, охлажденный до долей градуса выше абсолютного нуля. Один кубит не сработал, но оставшихся 53 хватило, чтобы продемонстрировать превосходство над обычными компьютерами в тщательно подобранной статистической задаче.
Неясно, сколько кубитов хорошего качества необходимо квантовому компьютеру для выполнения полезной работы. экспертные оценки варьируются от сотен до миллионов.
Достижения китайской команды включают демонстрацию использования квантового шифрования на рекордных расстояниях, в том числе использование спутника, специально разработанного для квантовой связи, для защиты видеозвонка между Китаем и Австрией.
IBM утверждает, что создала самый большой в мире сверхпроводящий квантовый компьютер, превосходящий по размерам современные машины от Google и исследователей из китайского университета. Предыдущие устройства демонстрировали до 60 сверхпроводящих кубитов или квантовых битов, работающих вместе для решения проблем, но новый процессор IBM Eagle более чем удваивает это число, объединяя 127.
Команды по всему миру используют несколько подходов к созданию практического квантового компьютера, включая сверхпроводники и запутанные фотоны, и остается неясным, какой из них станет эквивалентом транзистора, который привел к классической компьютерной революции.
В 2019 году компания Google объявила, что ее процессор Sycamore, использующий ту же сверхпроводящую архитектуру, с которой работает IBM, достиг квантового превосходства — так называют точку, в которой квантовые компьютеры могут решить задачу, с которой столкнулся бы классический компьютер. невозможный. Этот процессор использовал 54 кубита, но с тех пор его превзошла демонстрация 56, а затем 60 кубитов со сверхпроводящим процессором Zuchongzhi из Университета науки и технологий Китая (USTC) в Хэфэй.
127-кубитный процессор IBM Eagle теперь занимает первое место как самый большой и, следовательно, теоретически самый мощный из продемонстрированных сверхпроводящих квантовых компьютеров. Каждый дополнительный кубит представляет собой значительный шаг вперед в возможностях: в отличие от классических компьютеров, мощность которых увеличивается линейно по мере их роста, один дополнительный кубит эффективно удваивает потенциальную мощность квантового процессора.
Реклама
Канадская компания D-Wave Systems уже несколько лет продает машины, состоящие из тысяч кубитов, но многие считают их очень специфическими машинами, заточенными под определенный алгоритм, называемый квантовым отжигом, а не полностью программируемыми квантовыми компьютерами. В последние годы большой прогресс в квантовых вычислениях был сосредоточен на сверхпроводящих кубитах, которые являются одной из основных технологий, поддерживаемых Google, USTC и IBM.
Боб Сутор из IBM говорит, что преодоление барьера в 100 кубитов является скорее психологическим, чем физическим, но это показывает, что технология может развиваться. «С помощью Eagle мы демонстрируем, что можем масштабироваться, что мы можем начать генерировать достаточно кубитов, чтобы встать на путь, чтобы иметь достаточную вычислительную мощность для решения интересных задач. Это ступенька к более крупным машинам», — говорит он.
Однако сложно сравнивать мощность чипа IBM с предыдущими процессорами. И Google, и USTC использовали общий тест для оценки таких чипов, который заключался в моделировании квантовой схемы и выборке случайных чисел из ее выходных данных. IBM утверждает, что создала более программируемый и адаптируемый процессор, но еще не опубликовала научную статью с описанием его производительности или возможностей.
Питер Лик из Оксфордского университета говорит, что заманчиво оценивать производительность исключительно по количеству кубитов, но есть и другие показатели, на которые необходимо обратить внимание, ни один из которых еще не опубликован для Eagle. «Это определенно хорошо, хорошо, что они делают что-то с большим количеством кубитов, но в конечном итоге это становится полезным только тогда, когда процессор работает действительно хорошо», — говорит он.
Скотт Ааронсон из Техасского университета в Остине высказывает аналогичные сомнения относительно оценки важности нового процессора на данном этапе, говоря, что необходимо больше деталей. «Надеюсь, эта информация появится», — говорит он.
IBM заявила, что надеется продемонстрировать процессор на 400 кубитов в следующем году и преодолеть барьер в 1000 кубитов в следующем году с помощью чипа под названием Condor. Ожидается, что в этот момент будет достигнут предел расширения, требующий создания квантовых компьютеров из сетей этих процессоров, связанных вместе оптоволоконными линиями связи.
Наша команда ученых, инженеров и техников создала квантовый компьютер с самой высокой производительностью на сегодняшний день.
С квантовым объемом 64 квантовый компьютер Honeywell в два раза мощнее, чем следующая альтернатива в отрасли. Это означает, что мы ближе к отраслям, использующим наши решения для решения вычислительных задач, которые невозможно решить с помощью традиционных компьютеров.
«Что делает наши квантовые компьютеры такими мощными, так это использование кубитов высочайшего качества с самым низким уровнем ошибок. Это сочетание использования идентичных полностью подключенных кубитов и контроля точности», — сказал Тони Аттли, президент Honeywell Quantum Solutions.
Как выглядит квантовый компьютер?
Чтобы представить себе, как выглядит квантовый компьютер, вернемся в прошлое.
"Представьте, что вы думаете о компьютерах 60-летней давности, когда они занимают целую комнату и у них повсюду провода", – сказал Тони. «Мы снова там».
Во-первых, это камера сверхвысокого вакуума. Это сфера из нержавеющей стали, размером с баскетбольный мяч, с порталами для лазерного излучения, из которой откачан воздух, так что он содержит вакуум в пять раз меньше частиц, чем космическое пространство. Камера криогенно охлаждается жидким гелием, чтобы довести температуру чипа ионной ловушки до 10 градусов выше абсолютного нуля (примерно минус 441 градус по Фаренгейту, что ниже температуры поверхности Плутона).
В камере электрические поля левитируют отдельные атомы на высоте 0,1 мм над ионной ловушкой — кремниевым чипом размером с четверть, покрытым золотом. Ученые направляют лазеры на эти положительно заряженные атомы, чтобы выполнять квантовые операции.
"Для понимания того, насколько мал атом, если вы сложите ладони в шар, вы держите около триллиона триллионов атомов", – сказал Тони.
Между тем, есть много оборудования для управления квантовым компьютером. Системы управления необходимы для точного управления сотнями независимых электрических сигналов, необходимых для движения ионов (кубитов) в замысловатом танце, используемом для алгоритмов квантовой информации. Поскольку все операции выполняются с помощью лазеров, на оптических столах выровнено множество оптических элементов, каждый из которых предназначен для правильного цвета света. Вся эта инфраструктура занимает примерно два больших оптических стола (примерно 5 футов в ширину и 20 футов в длину), значительное пространство, поскольку истинная вычислительная мощность используется несколькими атомами, парящими над поверхностью ловушки.
Что будет решать квантовый компьютер?
Квантовые компьютеры используют свою мощь, позволяя одновременно исследовать множество потенциальных результатов.
Именно здесь на помощь приходит квантовая физика.
Традиционные вычислительные биты находятся в состоянии либо «0», либо «1».
С другой стороны, квантовые биты, называемые кубитами, могут находиться в обоих состояниях одновременно, что называется суперпозицией.
"Это означает, что когда эти кубиты взаимодействуют друг с другом в ходе вычислений, вы получаете то, что я называю квантовой сверхспособностью", – сказал Тони. «Вы получаете экспоненциальное увеличение количества значений, которые можно рассматривать одновременно».
На практике это означает, что некоторые вычисления, которые невозможно выполнить даже на самом высокопроизводительном суперкомпьютере, однажды будут выполняться на квантовом компьютере. Одним из примеров является лучший путь роботов в распределительном центре для повышения скорости выбора товаров и упаковки заказов (лучшего ответа не могут найти даже суперкомпьютеры!).
Эти вычисления обрабатываются с помощью алгоритмов, разработанных специально для квантовых компьютеров. Эти алгоритмы похожи на классические алгоритмы из компьютерных наук, но в них также используется сочетание знаний в области физики и математики. В квантовой экосистеме есть ряд экспертов по квантовым алгоритмам, которые специализируются на «преобразовании» реальных проблем в стандартные квантовые алгоритмы. Honeywell Ventures инвестировала и стала партнером двух компаний, занимающихся этим, Zapata Computing и Cambridge Quantum Computing.
Что ждет квантовые вычисления в будущем?
Когда компания Honeywell приступила к созданию квантового компьютера, мы отдали приоритет созданию кубитов высочайшего качества, сосредоточившись на устранении ошибок, присутствующих в системе, на меньшем количестве кубитов, а затем работали над увеличением количества кубитов. Достигнув таких низких ошибок в наших квантовых операциях, с каждым новым кубитом, который мы добавляем к машине, квантовый объем увеличивается.
Это расширяет возможности квантовых вычислений, которые мы сможем предложить нашим клиентам.
А благодаря партнерству с Microsoft Azure Quantum мы сможем предложить организациям доступ к нашему квантовому компьютеру как напрямую через наш интерфейс, так и через портал Azure Quantum.
«Перспектива квантовых вычислений, в конечном счете, заключается в том, что вместо того, чтобы приближаться, вы получаете точную информацию», — сказал Тони. "Вы можете просматривать все эти различные взаимодействия одновременно, чтобы найти оптимальное решение".
Сегодня IBM Quantum представила Eagle, квантовый процессор на 127 кубитов. Eagle ведет квантовые компьютеры в новую эру — мы запустили квантовый процессор, который перешагнул барьер в 100 кубитов. Мы рассчитываем, что с Eagle наши пользователи смогут исследовать неизведанные вычислительные территории и испытать ключевую веху на пути к практическим квантовым вычислениям.
Мы рассматриваем Eagle как шаг к технологической революции в истории вычислений. По мере масштабирования квантовых процессоров каждый дополнительный кубит удваивает объем пространственной сложности — объем памяти, необходимый для выполнения алгоритмов, — чтобы классический компьютер надежно моделировал квантовые схемы. Мы надеемся, что квантовые компьютеры принесут реальную пользу в разных областях, поскольку это увеличение космической сложности перемещает нас в область, превосходящую возможности классических компьютеров. Пока эта революция происходит, мы надеемся продолжать делиться нашим лучшим квантовым оборудованием с сообществом рано и часто. Такой подход позволяет IBM и нашим пользователям работать вместе, чтобы понять, как лучше всего исследовать и разрабатывать эти системы, чтобы как можно скорее достичь квантового преимущества.
Создание процессора, преодолевающего барьер в сто кубитов, не было чем-то, что мы могли сделать за одну ночь.Ученые десятилетиями предполагали, что компьютер, основанный на той же математике, за которой следуют субатомные частицы — квантовая механика, — может превзойти классические компьютеры в моделировании природы. Однако создание одного из этих устройств представляет собой огромную проблему. Кубиты могут декогерировать — или забыть свою квантовую информацию — даже при малейшем толчке со стороны внешнего мира. Производство Eagle в короткие сроки стало возможным отчасти благодаря тому, что IBM всегда была первооткрывателем новых научных достижений и инвестировала в базовые аппаратные технологии, включая процессы надежного производства полупроводников и упаковки, а также вывод новых продуктов на рынок.
Подсчет количества кубитов в Eagle стал важной вехой в нашей дорожной карте IBM Quantum. Eagle демонстрирует, как наша команда решает проблемы с аппаратным и программным обеспечением, чтобы в конечном итоге создать квантовый компьютер, способный решать практические задачи в таких областях, как возобновляемые источники энергии, финансы и многое другое.
Квантовые вычисления в масштабе
Процессоры Eagle от IBM Quantum содержат почти в два раза больше кубитов, чем наш 65-кубитный процессор Hummingbird, но создание чего-то большего требует больше усилий, чем добавление большего количества кубитов. Нам пришлось объединить и улучшить методы, разработанные в предыдущих поколениях процессоров IBM Quantum, чтобы разработать архитектуру процессора, включая передовые методы 3D-упаковки, которые, как мы уверены, могут стать основой процессоров вплоть до запланированного Condor на 1000+ кубитов. процессор.
Eagle основан на нашей Heavy-hex и представляет собой четвертую итерацию топологии для систем IBM Quantum. Подробнее. компоновка кубитов с тяжелыми шестиугольниками, дебютировавшая в нашем процессоре Falcon, где кубиты соединяются либо с двумя, либо с тремя соседями, как будто сидят на краях и углах мозаичных шестиугольников. Эта конкретная связь снизила вероятность ошибок, вызванных взаимодействием между соседними кубитами, что значительно увеличило производительность функциональных процессоров.
Eagle также включает мультиплексирование считывания, как в Hummingbird R2. Предыдущие процессоры требовали набора управляющей и считывающей электроники для каждого кубита — с этим можно справиться для нескольких десятков кубитов, но это было бы слишком громоздко для 100+, не говоря уже о 1000+ кубитных процессорах. Мультиплексирование считывания позволяет нам значительно сократить количество электроники и проводки, необходимых внутри холодильника для разбавления.
Возможно, наиболее важно то, что Eagle использует прошлый опыт IBM в производстве классических процессоров, чтобы обеспечить масштабируемый доступ ко всем кубитам.
Что мы имеем в виду? Квантовые процессоры требуют путаницы проводов, которые мы должны вывести наружу к их краям. Тем не менее, трехмерная интеграция позволяет нам размещать определенные компоненты СВЧ-схемы и проводку на нескольких физических уровнях. Хотя упаковка кубитов остается одной из самых больших проблем для будущих квантовых компьютеров, многоуровневая проводка и другие компоненты обеспечивают методы, которые делают возможным путь к Кондору с минимальным влиянием на производительность отдельных кубитов.
Еще есть над чем работать. Масштаб квантового чипа — это всего лишь одна из трех метрик, которые мы используем для измерения производительности квантового процессора, и мы должны продолжать повышать качество и скорость наших процессоров, сравнивая их квантовый объем, а CLOPS — это метрика, коррелирующая с тем, как быстро квантовый процессор может выполнять схемы. Подробнее. Операций на уровне цепи в секунду (CLOPS) соответственно.
Модульная парадигма: IBM Quantum System Two
Поскольку мы продолжаем масштабировать наши чипы, мы ожидаем, что они вырастут за пределы инфраструктуры IBM Quantum System One. Поэтому мы рады представить концепцию будущего систем квантовых вычислений: IBM Quantum System Two.
Основным элементом IBM Quantum System Two будет модульность. С помощью этой системы мы обеспечиваем гибкость нашего оборудования, чтобы продолжать увеличивать масштаб наших чипов. Команда использует целостный системный подход, чтобы понять, какие ресурсы необходимы для поддержки не только наших будущих процессоров Osprey и Condor, но и квантовых процессоров в будущем, поскольку мы продолжаем продвигаться вперед по нашей дорожной карте оборудования.
System Two представляет новое поколение масштабируемой электроники управления кубитами вместе с криогенными компонентами и кабелями более высокой плотности. Кроме того, мы работаем вместе с Bluefors над переосмыслением криогенной платформы. Новая криогенная платформа Bluefors и ее новый структурный дизайн оптимизируют пространство внутри холодильника, чтобы разместить расширенное вспомогательное оборудование, необходимое для более крупных процессоров, и в то же время гарантируют, что инженеры могут легко получить доступ и обслуживать оборудование внутри холодильника.
Эта платформа дает возможность предоставить более широкое общее криогенное рабочее пространство, открывая дверь для потенциального соединения квантовых процессоров с помощью новых межсоединений. Мы думаем, что System Two представляет собой взгляд в будущее того, как будут выглядеть квантовые вычисления — настоящий квантовый центр обработки данных.
Преодоление барьера в 100 кубитов — это невероятный подвиг команды IBM Quantum, и мы с нетерпением ждем возможности поделиться Eagle и другими нашими достижениями с сообществом квантовых вычислений. По мере того, как мы продвигаемся вперед по плану IBM Quantum, нам предстоит еще многое сделать: от повышения скорости наших процессоров до достижения квантового преимущества — возможно, даже быстрее, чем ожидалось, — с помощью высокопроизводительных вычислительных ресурсов.
Мы надеемся, что вы присоединитесь к нам, когда мы продолжим наше путешествие с целью превратить квантовые компьютеры в системы, меняющие парадигму, способные решить некоторые из самых насущных проблем, с которыми сталкивается современный мир. Впереди еще более грандиозные события.
Читайте также: