Квантовое превосходство с использованием программируемого сверхпроводящего процессора

Физики говорили о мощности квантовых вычислений более 30 лет, но всегда возникали вопросы: будут ли они когда-нибудь делать что-то полезное и стоит ли в них инвестировать? Для таких крупномасштабных проектов хорошей инженерной практикой является формулирование решающих краткосрочных целей, которые демонстрируют, движутся ли проекты в правильном направлении. Итак, чтобы помочь ответить на эти вопросы, мы разработали эксперимент как важную веху. Этот эксперимент, называемый квантовым превосходством, помог нашей команде преодолеть множество технических проблем, присущих проектированию квантовых систем, чтобы сделать компьютер одновременно программируемым и мощным. Чтобы проверить общую производительность системы, мы выбрали чувствительный вычислительный тест, который дает сбой, если хотя бы один компонент компьютера недостаточно хорош.

Сегодня мы опубликовали результаты этого эксперимента по квантовому превосходству в статье Nature «Квантовое превосходство с использованием программируемого сверхпроводящего процессора». Мы разработали новый 54-кубитный процессор, названный «Сикамор», который состоит из быстрых и высокоточных квантовых логических вентилей, которые позволяют выполнить эталонное тестирование. Наша машина выполнила целевое вычисление за 200 секунд, и на основе измерений в нашем эксперименте мы определили, что самому быстрому суперкомпьютеру в мире потребуется 10 000 лет, чтобы произвести аналогичный результат.

• .

Чтобы понять, как работает этот тест, представьте, что энтузиасты-новички в области квантовых вычислений посещают нашу лабораторию, чтобы запустить квантовый алгоритм на нашем новом процессоре. Они могут составлять алгоритмы из небольшого словаря элементарных операций с вентилями. Поскольку вероятность ошибки есть у каждых ворот, наши гости хотели бы ограничиться скромной последовательностью, насчитывающей около тысячи ворот. Предполагая, что эти программисты не имеют предыдущего опыта, они могут создать то, что по сути выглядит как случайная последовательность ворот, которую можно представить как программу «Hello, world!» для квантового компьютера. Поскольку в случайных схемах нет структуры, которую могли бы использовать классические алгоритмы, имитация таких квантовых схем обычно требует огромных усилий классического суперкомпьютера.

Каждый запуск случайной квантовой схемы на квантовом компьютере производит цепочку битов, например 0000101. Из-за квантовой интерференции некоторые цепочки битов будут появляться чаще, чем другие, когда мы повторяем эксперимент много раз. Однако поиск наиболее вероятных битовых цепочек для случайной квантовой схемы на классическом компьютере становится экспоненциально сложнее по мере роста числа кубитов (ширины) и числа циклов затвора (глубины).

В эксперименте мы сначала запускали случайные упрощенные схемы от 12 до 53 кубитов, при этом сохраняя постоянную глубину схемы. Мы проверили производительность квантового компьютера с помощью классического моделирования и сравнили с теоретической моделью. Убедившись, что система работает, мы запускали случайные жесткие схемы с 53 кубитами и увеличивающейся глубиной, пока не достигли точки, когда классическое моделирование стало невозможным.

Этот результат является первым экспериментальным вызовом против расширенного тезиса Черча-Тьюринга , который утверждает, что классические компьютеры могут эффективно реализовать любую «разумную» модель вычислений. С первыми квантовыми вычислениями, которые невозможно разумно эмулировать на классическом компьютере, мы открыли для исследования новую сферу вычислений.

Процессор Sycamore

Эксперимент квантового превосходства проводился на полностью программируемом 54-кубитном процессоре Sycamore. Он состоит из двухмерной сетки, в которой каждый кубит соединен с четырьмя другими кубитами. Как следствие, у чипа достаточно возможностей подключения, чтобы состояния кубита быстро взаимодействовали по всему процессору, что делает невозможным эффективное эмулирование общего состояния с помощью классического компьютера.

Успех эксперимента по квантовому превосходству был достигнут благодаря нашим улучшенным двухкубитным логическим элементам с улучшенным параллелизмом, которые надежно обеспечивают рекордную производительность даже при одновременной работе нескольких вентилей. Мы достигли этой производительности с помощью ручки управления нового типа, которая может отключать взаимодействие между соседними кубитами. Это значительно снижает количество ошибок в такой многосвязной системе. Мы добились дальнейшего повышения производительности за счет оптимизации конструкции микросхемы для снижения перекрестных помех и разработки новых калибровок управления, позволяющих избежать дефектов кубитов.

Мы разработали схему в виде двумерной квадратной сетки, в которой каждый кубит соединен с четырьмя другими кубитами. Эта архитектура также имеет прямую совместимость.для реализации квантовой коррекции ошибок. Мы рассматриваем наш 54-кубитный процессор Sycamore как первый в серии все более мощных квантовых процессоров.

Тестирование квантовой физики

Чтобы убедиться в полезности квантовых компьютеров в будущем, нам также необходимо было убедиться, что квантовая механика не создает фундаментальных препятствий. Физика имеет долгую историю проверки пределов теории с помощью экспериментов, поскольку новые явления часто возникают, когда кто-то начинает исследовать новые режимы, характеризующиеся очень разными физическими параметрами. Предыдущие эксперименты показали, что квантовая механика работает, как и ожидалось, вплоть до пространства состояний с размерностью около 1000. Здесь мы расширили этот тест до размера 10 квадриллионов и обнаружили, что все по-прежнему работает, как и ожидалось. Мы также проверили фундаментальную квантовую теорию, измерив ошибки двухкубитных вентилей и обнаружив, что это точно предсказывает результаты сравнительного анализа схем полного квантового превосходства. Это показывает, что нет никакой неожиданной физики, которая могла бы ухудшить производительность нашего квантового компьютера. Таким образом, наш эксперимент свидетельствует о том, что более сложные квантовые компьютеры должны работать в соответствии с теорией, и дает нам уверенность в продолжении наших усилий по расширению масштабов.

Источник: vk.com

Комментарии: