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谷歌詳細(xì)研究低噪聲“相變”處理器,揭示量子計(jì)算機(jī)能擊敗超算的原因
來源:互聯(lián)網(wǎng)   發(fā)布日期:2024-10-14 09:31:38   瀏覽:2138次  

導(dǎo)讀:劃重點(diǎn) 01谷歌在Nature上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于低噪聲相變處理器的最新研究,展示了量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上展現(xiàn)獨(dú)特優(yōu)勢的可能性。 02研究團(tuán)隊(duì)使用了名為Sycamore的量子處理器,發(fā)現(xiàn)當(dāng)噪聲降低到特定閾值以下時(shí),傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)際上無法進(jìn)行模擬。 03由于量子計(jì)算機(jī)與...

劃重點(diǎn)

01谷歌在Nature上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于低噪聲“相變”處理器的最新研究,展示了量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上展現(xiàn)獨(dú)特優(yōu)勢的可能性。

02研究團(tuán)隊(duì)使用了名為Sycamore的量子處理器,發(fā)現(xiàn)當(dāng)噪聲降低到特定閾值以下時(shí),傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)際上無法進(jìn)行模擬。

03由于量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式不同,其未來有望完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的任務(wù),如精確模擬化學(xué)反應(yīng)。

04然而,量子計(jì)算機(jī)目前仍無法取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),Sycamore處理器無法執(zhí)行常規(guī)計(jì)算機(jī)的典型操作。

05未來,研究人員希望建造出足夠大且?guī)缀鯚o錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī),從而徹底超越當(dāng)前的量子 VS 經(jīng)典之爭。

以上內(nèi)容由騰訊混元大模型生成,僅供參考

自從 1980 年代初量子計(jì)算機(jī)的概念首次被提出以來,科研人員一直期待著這種設(shè)備能夠解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以應(yīng)對的難題。

得益于基礎(chǔ)理論、技術(shù)和材料的進(jìn)步,在過去五年中,量子計(jì)算機(jī)終于開始朝這個(gè)目標(biāo)邁出了實(shí)質(zhì)性的步伐。

近日,谷歌在 Nature 上發(fā)表的一項(xiàng)最新研究,展示了他們在量子計(jì)算領(lǐng)域取得的新進(jìn)展,為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)之間的競賽開啟了新的篇章。

研究團(tuán)隊(duì)使用了名為 Sycamore 的量子處理器進(jìn)行了深入研究,重點(diǎn)探索了量子計(jì)算機(jī)在何種條件下能夠超越傳統(tǒng)(經(jīng)典)計(jì)算機(jī)。

谷歌詳細(xì)研究低噪聲“相變”處理器,揭示量子計(jì)算機(jī)能擊敗超算的原因

圖 | 谷歌 Sycamore 處理器(來源:Nature)

谷歌量子計(jì)算項(xiàng)目負(fù)責(zé)人塞爾吉奧博伊索(Sergio Boixo)對媒體表示,量子計(jì)算機(jī)并非單純比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快,而是完全不同的計(jì)算方式。

這種差異使其未來有望完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的任務(wù),比如精確模擬化學(xué)反應(yīng)。

在這項(xiàng)研究中,研究人員主要關(guān)注了量子隨機(jī)電路采樣這一基準(zhǔn)測試。

這個(gè)過程涉及對量子比特執(zhí)行一系列操作,并讓系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間演變,其輸出在很大程度上取決于量子力學(xué)中測量結(jié)果的隨機(jī)性。

當(dāng)引入足夠多的量子比特時(shí),在傳統(tǒng)硬件上模擬量子隨機(jī)電路的性能會變得異常困難。需要了解的是,這種困難正是谷歌最初聲稱實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢”(Quantum Supremacy)的基矗

研究團(tuán)隊(duì)在長期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵的“相變點(diǎn)”,它標(biāo)志著系統(tǒng)從高噪聲狀態(tài)向低噪聲狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

在高噪聲模式下,傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)仍可以模仿量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算。

但當(dāng)噪聲降低到特定閾值以下時(shí),Sycamore 處理器的計(jì)算復(fù)雜度會達(dá)到一個(gè)程度,使得傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)際上無法進(jìn)行模擬。

據(jù)估計(jì),即使是世界上最快的超級計(jì)算機(jī)也需要長達(dá)數(shù)萬億年的時(shí)間。

這一發(fā)現(xiàn)得到了量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)<业恼J(rèn)可,美國集成量子計(jì)算公司 Quantinuum 的量子計(jì)算研究員邁克爾福斯-費(fèi)格(Michael Foss-Feig)對媒體表示,谷歌這次很好地澄清并解決了量子隨機(jī)電路采樣中的許多已知問題。

博伊索將量子隨機(jī)電路的運(yùn)行比作一場競賽,這是量子關(guān)聯(lián)傳播與破壞性誤差之間的較量。

他解釋說,這本質(zhì)上是量子關(guān)聯(lián)(或糾纏)的增長與噪聲的對抗。量子門通過最快速度產(chǎn)生糾纏,而噪聲則試圖破壞這種關(guān)聯(lián)的形成。這種對抗關(guān)系決定了量子計(jì)算機(jī)的性能界限。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院的量子物理學(xué)家陸朝陽認(rèn)為,“量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間的持續(xù)競爭推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展,促使研究人員不斷建造更大、更高質(zhì)量的量子計(jì)算機(jī)。這種競爭關(guān)系也幫助我們更好地理解量子計(jì)算機(jī)的局限性和潛力。”

值得注意的是,即便在低噪聲狀態(tài)下,量子計(jì)算系統(tǒng)仍然可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。每次操作都存在出錯(cuò)的可能性,而且即使在閑置狀態(tài)下,量子比特也可能丟失其狀態(tài)。

研究人員使用交叉熵基準(zhǔn)測試,來評估系統(tǒng)的整體保真度。當(dāng)錯(cuò)誤率超過臨界點(diǎn)時(shí),它們會迅速中斷糾纏過程,這往往會形成兩個(gè)較小的獨(dú)立糾纏系統(tǒng)。

他們通過創(chuàng)建兩個(gè)不同的糾纏量子比特簇來模擬這種情況,這些量子比特簇可以通過一次操作相互糾纏,從而允許他們隨意啟動(dòng)或關(guān)閉糾纏。

谷歌詳細(xì)研究低噪聲“相變”處理器,揭示量子計(jì)算機(jī)能擊敗超算的原因

圖 | 谷歌 Sycamore 處理器(來源:谷歌)

回顧歷史,谷歌在 2019 年曾宣稱實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)勢”,聲稱其 53 量子比特計(jì)算機(jī)在 200 秒內(nèi)完成的運(yùn)算需要傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)運(yùn)行 1 萬年。

然而,這一說法很快受到質(zhì)疑。IBM 的研究人員曾回應(yīng)稱,傳統(tǒng)超算實(shí)際上可以在幾天內(nèi)完成該任務(wù)。

今年 6 月,陸朝陽及其同事更是用強(qiáng)大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在一分多鐘內(nèi)就完成了相同的運(yùn)算,用行動(dòng)推翻了谷歌當(dāng)時(shí)的說法。這些挑戰(zhàn)推動(dòng)谷歌進(jìn)行了更深入的研究,最終導(dǎo)致了此次突破性發(fā)現(xiàn)。

目前,量子計(jì)算機(jī)還無法取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。Sycamore 處理器無法執(zhí)行常規(guī)計(jì)算機(jī)的典型操作,如存儲照片或發(fā)送電子郵件。

但這項(xiàng)研究表明,在特定任務(wù)上,量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)開始展現(xiàn)其獨(dú)特優(yōu)勢。

為了降低溫度波動(dòng)帶來的干擾,這種芯片需要在接近絕對零度的超低溫環(huán)境下運(yùn)行。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用的經(jīng)典比特(只能是 0 或 1)不同,量子計(jì)算機(jī)依賴于量子比特,這使得它能夠以指數(shù)級更少的比特?cái)?shù)量完成某些任務(wù)。

例如,在運(yùn)行量子隨機(jī)電路算法時(shí),傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要 1024 個(gè)比特,而量子計(jì)算機(jī)只需要 10 個(gè)量子比特。

這項(xiàng)研究的深遠(yuǎn)意義不僅在于證明量子隨機(jī)電路的性能,更在于它為整個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域提供了新的發(fā)展方向。

博伊索強(qiáng)調(diào),如果在這個(gè)最簡單的基準(zhǔn)測試上無法取得優(yōu)勢,那么在其他應(yīng)用上也不太可能獲得突破。

這也解釋了為什么谷歌選擇專注于改進(jìn)單一處理器設(shè)計(jì),而不是像其他競爭對手那樣急于增加量子比特?cái)?shù)量。

此外,研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),即使是量子比特噪聲水平的微小差異,比如從 99.4% 的無錯(cuò)誤率提升到 99.7%,也會導(dǎo)致 Sycamore 表現(xiàn)出新狀態(tài),類似物質(zhì)從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變。這一發(fā)現(xiàn)對于理解和改進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的性能來說至關(guān)重要。

“噪聲的作用是將系統(tǒng)變成更經(jīng)典的系統(tǒng)。”博伊索對媒體說。一旦運(yùn)行 67 個(gè)量子比特的 Sycamore 升級版超過某個(gè)噪聲閾值,其隨機(jī)電路采樣輸出就無法再用經(jīng)典方法模擬。

隨著量子計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展,研究人員希望有朝一日能夠建造出足夠大且?guī)缀鯚o錯(cuò)誤的量子計(jì)算機(jī),從而徹底超越當(dāng)前的量子 VS 經(jīng)典之爭。

但在那一天到來之前,這種競爭將繼續(xù)推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步。

參考資料:

https://arstechnica.com/science/2024/10/google-identifies-low-noise-phase-transition-in-its-quantum-processor/

https://www.nature.com/articles/d41586-024-03288-3

運(yùn)營/排版:何晨龍

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