Google только что сделал качественный скачок в информатике. Используя современный квантовый компьютер компании, названный Sycamore, Google заявил о « квантовом превосходстве » над самыми мощными суперкомпьютерами в мире, решив проблему, которая считается практически невозможной для обычных машин.
Квантовый компьютер завершил сложное вычисление за 200 секунд. Те же расчеты потребуют даже самых мощных суперкомпьютеров примерно за 10 000 лет, - пишет команда исследователей во главе с Джоном Мартинисом, физиком-экспериментатором из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, в своем исследовании, опубликованном в журнале Природа.
«Вполне вероятно, что время классического моделирования, которое в настоящее время оценивается в 10 000 лет, будет сокращено за счет улучшения классического аппаратного обеспечения и алгоритмов», - говорится в заявлении Брукс Фоксен, аспиранта из лаборатории Мартиниса . «Но поскольку в настоящее время мы работаем в 1,5 триллиона раз быстрее, мы чувствуем себя комфортно, претендуя на это достижение», - добавил он, говоря о превосходстве квантовых компьютеров.
Квантовые компьютеры используют дурацкую физику квантовой механики для решения задач, которые было бы чрезвычайно трудно, если не невозможно, решить классическим компьютерам на основе полупроводников.
Вычисление, которое Google выбрал, чтобы победить, является квантовым эквивалентом генерации очень длинного списка случайных чисел и проверки их значений в миллион раз. Результатом является решение, не особенно полезное за пределами мира квантовой механики, но оно имеет большое значение для вычислительной мощности устройства.
Сила в неопределенности
Обычные компьютеры выполняют вычисления, используя «биты» информации, которые, как и двухпозиционные переключатели, могут существовать только в двух состояниях: 1 или 0. Квантовые компьютеры используют квантовые биты, или «кубиты», которые могут существовать как 1 и 0 одновременно. Это странное следствие квантовой механики называется состоянием суперпозиции и является ключом к преимуществу квантового компьютера перед классическими компьютерами.
Например, пара битов может хранить только одну из четырех возможных комбинаций состояний (00, 01, 10 или 11) в любой момент времени. Пара кубитов может хранить все четыре комбинации одновременно, потому что каждый кубит представляет оба значения (0 и 1) одновременно. Если вы добавите больше кубитов, мощность вашего компьютера будет расти в геометрической прогрессии. Три кубита хранят восемь комбинаций, четыре кубита хранят 16 и так далее. Новый компьютер Google с 53 кубитами может хранить 253 значения или более 10 000 000 000 000 000 (10 квадриллионов) комбинаций. Это число становится еще более впечатляющим, когда на шоу появляется еще одно фундаментальное и столь же странное свойство квантовой механики: запутанные состояния.
В явлении, описанном Альбертом Эйнштейном как «пугающее действие на расстоянии», частицы, которые взаимодействовали в определенный момент времени, могут запутаться. Это означает, что измерение состояния одной частицы позволяет одновременно узнать состояние другой частицы независимо от расстояния между частицами. Если кубиты квантового компьютера запутаны, все они могут быть измерены одновременно.
Квантовый компьютер Google состоит из микроскопических цепей сверхпроводящего металла, которые запутывают 53 кубита в сложном состоянии суперпозиции. В запутанных кубитов генерировать случайное число между нулем и 253, но из - за квантовой интерференции, некоторые случайные числа проявляются больше , чем другие. Когда компьютер измеряет эти случайные числа миллионы раз, из их неравномерного распределения возникает закономерность.
«Для классических компьютеров гораздо сложнее вычислить результат этих операций, потому что это требует вычисления вероятности нахождения в любом из 253 возможных состояний, где 53 происходит из числа кубитов - экспоненциального масштабирования, поэтому люди интересуются квантовыми вычислениями с самого начала », - сказал Фоксен.
Используя странные свойства квантовой запутанности и суперпозиции, лаборатория Мартини создала эту схему распределения с использованием чипа Сикамор за 200 секунд.
На бумаге легко показать, почему квантовый компьютер может превзойти традиционные компьютеры. Демонстрация задачи в реальном мире - это другая история. В то время как классические компьютеры могут хранить миллионы битов в своих процессорах, квантовые компьютеры пытаются измерить количество кубитов, с которыми они могут работать. Запутанные кубиты после коротких периодов распутываются и подвержены шуму и ошибкам.