Самый мощный квантовый компьютер в мире 2021

Обновлено: 21.11.2024

Компания QuEra Computing, созданная физиками из Гарварда и Массачусетского технологического института, пробует новый квантовый подход для решения невероятно сложных вычислительных задач.

Наконец-то физики из Гарварда и Массачусетского технологического института нашли потрясающее приложение для квантовых вычислений: GIF-файл Mario Bros., сделанный из кубитов. Кубиты (квантовые биты) также можно расположить в форме космических захватчиков, тетриса или любой другой формы — ваше геометрическое желание — это команда кубитов.

Gif-файлы были предложены бостонским стартапом QuEra Computing, появившимся из скрытности, чтобы продемонстрировать программируемость своего квантового симулятора на 256 кубитов — квантового компьютера специального назначения, созданного для решения определенных типов задач.

Машина QuEra — это последний шаг в масштабировании квантовых вычислений, который делает их более мощными и способными решать практические задачи. Чем больше кубитов, тем больше информации можно хранить и обрабатывать, и исследователи, разрабатывающие эту технологию, стремятся постоянно поднимать планку.

Похожая история

Конкурирующий производитель квантовых компьютеров оспаривает хваленое утверждение о том, что Google достиг нового рубежа.

В 2019 году компания Google объявила, что ее 53-кубитная машина достигла квантового превосходства, выполнив задачу, не поддающуюся управлению обычным компьютером, но IBM оспорила это утверждение. В том же году IBM выпустила свой 53-битный квантовый компьютер. В 2020 году IonQ представила 32-кубитную систему, которая, по словам компании, является «самым мощным квантовым компьютером в мире». И только на этой неделе IBM выпустила свой новый 127-кубитный квантовый процессор, который в пресс-релизе описывается как «маленькое чудо дизайна». «С моей точки зрения, большая новость заключается в том, что это работает, — говорит Джей Гамбетта, вице-президент IBM по квантовым вычислениям.

Теперь QuEra утверждает, что создала устройство с гораздо большим количеством кубитов, чем у любого из этих конкурентов.

Конечная цель квантовых вычислений, конечно, не в том, чтобы играть в тетрис, а в том, чтобы превзойти классические компьютеры в решении задач, представляющих практический интерес. Энтузиасты считают, что, когда эти компьютеры станут достаточно мощными, возможно, через десятилетие или два, они могут оказать преобразующее воздействие в таких областях, как медицина и финансы, неврология и искусственный интеллект. Квантовым машинам, скорее всего, потребуются тысячи кубитов для решения таких сложных задач.

Однако количество кубитов — не единственный важный фактор.

QuEra также рекламирует улучшенную программируемость своего устройства, в котором каждый кубит представляет собой один ультрахолодный атом. Эти атомы точно упорядочиваются серией лазеров (физики называют их оптическим пинцетом). Позиционирование кубитов позволяет программировать машину, настраивать ее на исследуемую проблему и даже перенастраивать в режиме реального времени в процессе вычислений.

"Разные проблемы потребуют размещения атомов в разных конфигурациях", – говорит Алекс Кислинг, генеральный директор QuEra и соавтор технологии. «Одна из уникальных особенностей нашей машины заключается в том, что каждый раз, когда мы запускаем ее несколько раз в секунду, мы можем полностью переопределить геометрию и связность кубитов».

Преимущество атома

Машина QuEra была построена на основе чертежей и технологий, отработанных в течение нескольких лет под руководством Михаила Лукина и Маркуса Грейнера из Гарварда, а также Владана Вулетича и Дирка Инглунда из Массачусетского технологического института (все они входят в команду основателей QuEra). В 2017 году более ранняя модель устройства от Гарвардской группы использовала всего 51 кубит; в 2020 году они продемонстрировали машину на 256 кубитов. В течение двух лет команда QuEra рассчитывает достичь 1000 кубитов, а затем, не сильно меняя платформу, они надеются увеличить масштаб системы до сотен тысяч кубитов.

Именно уникальная платформа QuEra — физический способ сборки системы, а также метод кодирования и обработки информации — должны обеспечить такой скачок масштаба.

В то время как системы квантовых вычислений Google и IBM используют сверхпроводящие кубиты, а IonQ использует захваченные ионы, платформа QuEra использует массивы нейтральных атомов, которые производят кубиты с впечатляющей когерентностью (то есть высокой степенью «квантовости»). Машина использует лазерные импульсы, чтобы заставить атомы взаимодействовать, переводя их в энергетическое состояние — «состояние Ридберга», описанное в 1888 году шведским физиком Йоханнесом Ридбергом, — в котором они могут выполнять квантовую логику надежным способом с высокой точностью. Этот подход Ридберга к квантовым вычислениям разрабатывался в течение нескольких десятилетий, но для его надежной работы потребовался технологический прогресс, например лазеры и фотоника.

«Неразумно буйный»

Когда ученый-компьютерщик Умеш Вазирани, директор Центра квантовых вычислений в Беркли, впервые узнал об исследованиях Лукина в этом направлении, он почувствовал себя «иррационально воодушевленным» — это казалось изумительным подходом, хотя Вазирани сомневался, что его интуиция соответствует действительности. с реальностью. «У нас были различные хорошо разработанные пути, такие как сверхпроводники и ионные ловушки, над которыми работали в течение длительного времени», — говорит он. «Разве мы не должны думать о разных схемах?» Он связался с Джоном Прескиллом, физиком из Калифорнийского технологического института и директором Института квантовой информации и материи, который заверил Вазирани, что его энтузиазм оправдан.

Preskill считает платформы Ридберга (не только платформы QuEra) интересными, поскольку они производят сильно взаимодействующие кубиты, которые сильно запутаны — «в этом и заключается квантовая магия», — говорит он. "Я очень рад возможности за относительно короткое время обнаружить неожиданные вещи".

В дополнение к моделированию и пониманию квантовых материалов и динамики, которые Лукин называет «первыми примерами полезного квантового преимущества, связанного с научными приложениями», исследователи также работают над квантовыми алгоритмами для решения задач вычислительной оптимизации, которые являются NP-полными (т. е. это очень сложно).

Одним из инвесторов QuEra является Rakuten, японская компания, занимающаяся интернет-услугами, электронной коммерцией и финансовыми технологиями, которая заинтересована в изучении проблемы оптимизации расположения антенн для мобильных сервисов 4G и 5G. «Кроме того, эта технология обещает решить многие проблемы оптимизации, от маршрутизации доставки, портфеля акций, поисковых систем до рекомендаций», — говорит Такуя Китагава, директор по данным Rakuten. «Мечта большая».

Однако компания Preskill не особенно оптимистична в отношении того, что машина QuEra превзойдет классические алгоритмы для задач оптимизации. Именно он ввел термин «квантовое превосходство» (описывающий момент, когда квантовые компьютеры могут делать то, чего не могут классические компьютеры), и отмечает: «У нас нет веских теоретических аргументов в пользу того, что мы увидим квантовое преимущество в оптимизации. в ближайшее время. Но это, безусловно, заслуживает изучения».

Компания Preskill заинтересована в том, чтобы QuEra сделала свою платформу широко доступной для исследований и разработок. По его словам, наличие большего сообщества людей, дурачящихся и играющих с машинами, поможет понять, в чем они хороши. Будем надеяться, что они не будут тратить время только на игры в тетрис и космические захватчики.

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.

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.

IBM представила Eagle, самый мощный в мире квантовый процессор. Обладая 127 квантовыми битами (кубитами), Eagle является важным шагом на пути к коммерческим квантовым компьютерам, превосходящим традиционные машины.

Квантовые компьютеры используют причудливый мир квантовой физики, чтобы поднять вычислительную мощность до невероятных новых высот. В классическом компьютере данные хранятся и обрабатываются в битах, представленных либо нулем, либо единицей. Но в квантовых компьютерах кубиты могут находиться не только в нулевом или единичном состоянии, но и в суперпозиции того и другого одновременно. Это означает, что каждый добавленный кубит экспоненциально увеличивает потенциальную вычислительную мощность.

С 127 кубитами Eagle на данный момент является самым мощным квантовым процессором в мире, намного превосходящим китайский Jiuzhang 2.0 (113 кубит), Bristlecone (72 кубит) от Google и собственный процессор Hummingbird (65 кубит) от IBM.

IBM заявляет, что прорыв стал возможен благодаря новой архитектуре чипа, которая вмещает больше кубитов. Сами кубиты расположены на одном уровне, что снижает частоту их ошибок, а управляющая проводка распределена по нескольким физическим уровням.

". Воссоздание одного из состояний Орла на обычном компьютере потребует больше классических битов, чем общее количество атомов в каждом человеке на Земле"

Согласно IBM, Eagle имеет 127 кубитов и является первым процессором компании с мощностью, недоступной для традиционных суперкомпьютеров. Эта веха часто называется квантовым преимуществом. Подсчитано, что для воссоздания одного из состояний Орла на обычном компьютере потребуется больше классических битов, чем общее количество атомов в каждом человеке на Земле.

Однако IBM не первая, кто достиг квантового преимущества. Google заявил об этом еще в 2019 году со своим 53-кубитным процессором Sycamore, но IBM ответила аплодисментами, заявив, что с помощью более совершенных классических алгоритмов та же работа может быть выполнена на существующих суперкомпьютерах за считанные дни, что вряд ли недостижимо. Тем не менее, первое поколение Jiuzhang в прошлом году продемонстрировало квантовое преимущество, проведя за несколько минут некий расчет, на который у классического суперкомпьютера ушло бы 2,5 миллиарда лет.

Eagle теперь доступен в IBM Cloud для некоторых участников IBM Quantum Network. Компания уже наметила свою дорожную карту для будущих квантовых процессоров, планируя выпустить IBM Quantum Osprey на 433 кубита в следующем году, а затем Quantum Condor в 2023 году, который будет содержать поразительные 1121 кубит.

Можно рассчитать сложный алгоритм за одну миллисекунду — на такой же расчет у самых мощных в мире обычных компьютеров ушло бы 30 триллионов лет.

В Китае есть квантовые компьютеры, которые буквально в миллион раз мощнее процессора Google Sycamore. Источник: АФП

Ученые из Китая утверждают, что создали самые быстрые в мире программируемые квантовые компьютеры.
«Цзючжан-2» на основе света может выполнять расчеты за одну миллисекунду, а на выполнение этой задачи самому быстрому обычному компьютеру в мире потребовалось бы 30 триллионов лет.
Тем временем Zuchongzhi 2 может выполнять вычислительную задачу, в миллион раз более сложную, чем квантовая машина Sycamore от Google.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

«Суперхолодильник» IBM призван решить проблему охлаждения квантовых компьютеров

В июле этого года команда из Китая продемонстрировала, что обладает самым мощным в мире квантовым компьютером , и наконец-то обогнала Google, заявившего о достижении квантового превосходства еще в 2019 году. Тогда Китай рекламировал сверхсовременный 66- кубитовый квантовый суперкомпьютер под названием «Zuchongzhi» в качестве претендента на 54-кубитный процессор Google Sycamore. Но хотя квантовые компьютеры Google с тех пор не продвинулись заметно вперед, Китай, с другой стороны, никогда не замедлялся, разрабатывая более мощные квантовые процессоры.

Согласно недавнему исследованию, опубликованному в рецензируемых журналах Physical Review Letters и Science Bulletin, физики из Китая утверждают, что создали два квантовых компьютера с производительностью, которая намного превзойти конкурентов в США или даже в любой точке мира, представив сверхпроводящую машину вместе с более быстрым устройством, использующим световые фотоны для получения беспрецедентных результатов.

Что отличает квантовые компьютеры из Китая?

Напомним, что Китай запустил первый в мире квантовый спутник в 2016 году и крупнейшую наземную сеть квантовой связи в 2019 году. Несмотря на то, что он на шаг или два отставал от Запада в области квантовых компьютерных технологий, он никогда не прекращал попыток и инноваций.< /p>

Что делает последнее открытие более интересным, так это тот факт, что основанный на свете Jiuzhang 2 может вычислять за одну миллисекунду, задача, которая заняла бы у самого быстрого обычного компьютера в мире до 30 триллионов лет. По сути, он имеет более узкую область применения, но может достигать скорости в 100 секстиллионов (с единицей, за которой следуют 23 нуля) раз быстрее, чем самые большие обычные компьютеры.

Jiuzhang 2 на самом деле представляет собой модернизацию машины, созданной командой Пана в прошлом году. Она использует фотоны, каждый из которых несет кубит — основную единицу квантовой информации. Ведущий ученый проекта Jiuzhang Лу Чаоян подчеркнул, что они «увеличили количество фотонов с 76 до 113 (новая машина) в миллиарды миллиардов раз быстрее, чем суперкомпьютеры».

По словам ведущего исследователя Пан Цзяньвэя, Zuchongzhi 2 — это модернизация более ранней машины, выпущенной три месяца назад. Она может выполнять расчетную задачу, в миллион раз более сложную, чем Sycamore. К сожалению, эти машины не могут быть заменены обычными компьютерами в ближайшее время, даже при их быстродействии. Он может работать только для очень специфических задач, то есть в защищенной среде, в течение коротких периодов времени. В довершение всего, эти машины делают много ошибок.

Первый в мире центр коммерческих квантовых вычислений открывается в Великобритании

«На следующем этапе мы надеемся достичь квантовой коррекции ошибок за четыре-пять лет напряженной работы», — сказал Пан в интервью исследовательской группе китайской государственной CCTV. Кроме того, он утверждает, что можно «использовать некоторые специализированные квантовые компьютеры или квантовые симуляторы для решения некоторых наиболее важных научных вопросов, имеющих практическую ценность, на основе технологии квантовой коррекции ошибок».

Пан отметил, что схемы Zuchongzhi должны быть охлаждены до очень низких температур, чтобы обеспечить оптимальную производительность для сложной задачи, называемой случайным блужданием, которая представляет собой модель, соответствующую тактическим движениям фигур на шахматной доске. Согласно South China Morning Post, модель предполагает, что движение шахматной фигуры может быть совершенно случайным, без какой-либо связи с предыдущими ходами.

На классических компьютерах этот процесс сложно смоделировать, поскольку он требует огромного количества вычислений на основе сложных алгоритмов, но с помощью квантовой физики это становится легко. Другие приложения варьируются от прогнозирования цен на акции до расчета генных мутаций, образования новых материалов и воздушных потоков в гиперзвуковом полете со скоростью 5 Маха или выше.

Читайте также: