O que o chip quântico do Google significa ao concluir uma tarefa de cálculo de 1.000 trilhões de anos em 5 minutos?

Indecisão, mecânica quântica.

O nascimento da mecânica quântica tem uma história de mais de 120 anos. Do experimento de interferência da luz com dupla fenda ao experimento mental do "gato de Schrödinger", parece ser a lei da física mais misteriosa e profunda em nossa imaginação. O físico teórico americano Richard Phillips Feynman disse uma vez:

Se você pensa que entende a mecânica quântica, você não entende a mecânica quântica.

Embora a mecânica quântica esteja muito longe de nós, ela também está se desenvolvendo rapidamente: em 2016, meu país lançou com sucesso o satélite experimental de ciência quântica "Mozi", o Prêmio Nobel de Física de 2022 foi concedido a três cientistas em reconhecimento ao seu " "; Contribuição de pesquisa da Ciência da Informação Quântica.

O Google também fez recentemente grandes movimentos na "mecânica quântica", que pode ser chamada de inovação "marco".

Hartmut Neven, fundador e líder da equipe de inteligência artificial quântica do Google "Quantum AI", publicou um artigo em seu blog anunciando o lançamento de seu mais recente chip quântico "Willow" e chamando-o de computador quântico em grande escala abriu o caminho.

No artigo, o texto afirma que este chip “tem desempenho de última geração em muitos indicadores” e “alcança duas grandes conquistas ”:

• Primeiro, Willow aumentou o número de “qubits” usados ​​(105) e reduziu “exponencialmente” os erros;
• Em segundo lugar, a Willow completou seu mais recente “Teste de benchmark de amostragem de circuito aleatório (RCS)” em menos de 5 minutos.

Para compreender essas conquistas revolucionárias, devemos entender como funcionam os computadores/chips quânticos.

Um dos conceitos centrais da mecânica quântica é a "superposição", ou seja, um sistema quântico pode existir em vários estados ao mesmo tempo. Os computadores quânticos usam essa propriedade de superposição para criar " qubits ", que são o núcleo dos computadores quânticos básicos. unidade de computação.

Ao contrário dos bits binários dos computadores clássicos, os qubits podem estar em um "estado de superposição" de 0 e 1 ao mesmo tempo . Este estado permite que os computadores quânticos processem vários caminhos computacionais, ou estados, simultaneamente, tornando-os mais rápidos e eficientes do que os computadores clássicos na resolução de certos problemas complexos.

Além disso, existe uma relação especial entre qubits chamada " emaranhamento quântico ": quando os qubits estão emaranhados entre si, não importa a distância que estejam, o estado de um qubit afetará imediatamente o estado do outro qubit.

Neste momento, podemos conhecer o estado de outros qubits com base no estado de um determinado qubit, o que também atinge o efeito de transmissão de informações. Esta propriedade permite que computadores quânticos compartilhem e transfiram informações com mais eficiência ao lidar com problemas complexos.

No entanto, o estado dos qubits é muito frágil e é facilmente perturbado pelo ambiente externo (temperatura, vibração, eletromagnética, etc.), resultando na perda de informação quântica. Este fenômeno é chamado de “ decoerência quântica ”. Devido ao emaranhamento, os erros podem se propagar de um qubit para outros qubits, afetando o poder de computação.

E como os qubits tendem a trocar informações rapidamente com seu ambiente, é difícil proteger as informações necessárias para concluir os cálculos. Geralmente, quanto mais qubits um computador quântico usa, mais erros ocorrem e todo o sistema se torna mais “clássico”.

Mas de acordo com o texto, os pesquisadores do Google introduziram um novo método de "correção quântica de erros" que pode perceber que quanto mais qubits usados ​​no chip Willow, mais erros serão reduzidos e a taxa de erros diminuirá exponencialmente.

Nevin disse no artigo que essa conquista histórica, conhecida na área como “sublimiar”, é a capacidade de aumentar o número de qubits e, ao mesmo tempo, reduzir erros. Nevin também enfatiza que a correção quântica de erros tem sido um desafio extremamente difícil desde que Peter Shor a introduziu em 1995.

Portanto, “abaixo do limite” pode mostrar “progresso real na correção de erros”, e Willow é o primeiro sistema abaixo do limite, o que mostra que existe a possibilidade de construir computadores quânticos muito grandes. Os resultados da pesquisa também foram publicados na revista Nature.

Além disso, o artigo afirmava que Willow completou o teste Random Circuit Sampling (RCS) em 5 minutos, que é considerado "o teste de benchmark clássico mais difícil concluído nos computadores quânticos de hoje", e chamou esses últimos resultados de Willow de "Os melhores até aqui".

Para efeito de comparação, são necessários 10 ^ 25 anos para o supercomputador mais rápido do mundo calcular o RCS, que é ainda maior que a idade do universo (cerca de 13,8 bilhões de anos).

O teste de amostragem de circuito aleatório (RCS) é um método usado para avaliar o desempenho de computadores quânticos. A ideia central é usar um computador quântico para realizar operações de portas quânticas selecionadas aleatoriamente, gerar estados quânticos aleatórios e, em seguida, amostrar e medir esses estados quânticos.

O RCS foi proposto pela primeira vez pela equipe de Naiwen, e Naiwen disse que agora é “ um padrão comum na área ”.

Vale ressaltar que em 2019, o Google afirmou que o processador quântico "Sycamore" que desenvolveu poderia completar cálculos em apenas três minutos que levariam 10.000 anos para o supercomputador mais rápido do mundo. supremacia ”.

A IBM contestou os resultados dos testes de computação do Sycamore, e o termo "supremacia quântica" também causou considerável controvérsia, embora o Google enfatize que o termo é apenas um "termo artístico". Mais tarde, o Google tentou evitar o uso do termo, dizendo apenas que havia alcançado “além da computação clássica”.

Além disso, a IBM e a Honeywell geralmente usam o termo "volume quântico" para descrever e quantificar seus equipamentos de computação quântica em suas pesquisas de mecânica quântica, mas o Google não usa esse conceito. A falta de padrões unificados dificulta a comparação de produtos concorrentes.

Nevin disse que a tecnologia quântica tem sua utilidade na coleta de dados de treinamento de IA, no desenvolvimento de novos veículos de energia e na descoberta de novos medicamentos.

Ao mesmo tempo, ele também ansiava pelo próximo objetivo da pesquisa em mecânica quântica do Google: completar um cálculo que seja ao mesmo tempo "relevante para programas reais" e "inatingível por computadores clássicos", verdadeiramente "útil" e "além dos clássicos" .

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