Willow: квантовый чип от Google, за 5 минут решивший задачу, с которой суперкомпьютер бился бы 10 септиллионов лет

Наш новый чип демонстрирует коррекцию ошибок и производительность, которые открывают путь к полезному крупномасштабному квантовому компьютеру.

Сегодня я рад представить Willow, наш новейший квантовый чип. Willow обладает передовой производительностью по ряду показателей, что позволяет добиться двух важных достижений.

• Первое заключается в том, что Willow может экспоненциально уменьшать количество ошибок по мере масштабирования с использованием большего количества кубитов. Это решает ключевую задачу в квантовой коррекции ошибок, над которой эта область работала почти 30 лет.
• Во-вторых, Уиллоу выполнил стандартное эталонное вычисление менее чем за пять минут, на что одному из самых быстрых современных суперкомпьютеров потребовалось бы 10 септиллионов (то есть 10 25 ) лет — число, значительно превышающее возраст Вселенной.

Чип Willow — это важный шаг на пути, который начался более 10 лет назад. Когда я основал Google Quantum AI в 2012 году, видение состояло в том, чтобы построить полезный, крупномасштабный квантовый компьютер, который мог бы использовать квантовую механику — «операционную систему» природы в той мере, в какой мы ее знаем сегодня, — чтобы приносить пользу обществу, продвигая научные открытия, разрабатывая полезные приложения и решая некоторые из самых больших проблем общества. В рамках Google Research наша команда наметила долгосрочную дорожную карту , и Willow значительно продвигает нас по этому пути к коммерчески значимым приложениям.

6:39

Видео с директором Quantum Hardware Джулианом Келли, представляющим Willow и его прорывные достижения

Экспоненциальная квантовая коррекция ошибок — ниже порогового значения!

Ошибки являются одной из самых больших проблем в квантовых вычислениях, поскольку кубиты, единицы вычисления в квантовых компьютерах, имеют тенденцию быстро обмениваться информацией со своей средой, что затрудняет защиту информации, необходимой для завершения вычисления. Обычно, чем больше кубитов вы используете, тем больше ошибок будет происходить, и система становится классической.

Сегодня в Nature мы опубликовали результаты, показывающие, что чем больше кубитов мы используем в Willow, тем больше мы уменьшаем ошибки и тем более квантовой становится система . Мы тестировали все большие массивы физических кубитов, масштабируясь от сетки 3x3 закодированных кубитов до сетки 5x5 и сетки 7x7 — и каждый раз, используя наши последние достижения в области квантовой коррекции ошибок, мы могли сократить частоту ошибок вдвое. Другими словами, мы достигли экспоненциального снижения частоты ошибок. Это историческое достижение известно в этой области как «ниже порога» — возможность снизить ошибки при увеличении количества кубитов. Вы должны продемонстрировать, что находитесь ниже порога, чтобы показать реальный прогресс в исправлении ошибок, и это было выдающейся задачей с тех пор, как квантовая коррекция ошибок была представлена Питером Шором в 1995 году.

В этом результате задействованы и другие научные «первые». Например, это также один из первых убедительных примеров исправления ошибок в реальном времени в сверхпроводящей квантовой системе — критически важного для любого полезного вычисления, поскольку если вы не можете исправить ошибки достаточно быстро, они разрушат ваши вычисления до того, как они будут выполнены. И это демонстрация «за пределами безубыточности», где наши массивы кубитов имеют более длительное время жизни, чем отдельные физические кубиты, несомненный признак того, что исправление ошибок улучшает систему в целом.

Как первая система ниже порога, это самый убедительный прототип масштабируемого логического кубита, созданный на сегодняшний день. Это весомый признак того, что полезные, очень большие квантовые компьютеры действительно могут быть построены. Willow приближает нас к запуску практических, коммерчески значимых алгоритмов, которые невозможно воспроизвести на обычных компьютерах.

10 септиллионов лет на одном из самых быстрых суперкомпьютеров современности

В качестве меры производительности Willow мы использовали бенчмарк случайной выборки цепей (RCS) . Впервые разработанный нашей командой и теперь широко используемый в качестве стандарта в этой области, RCS является классически самым сложным бенчмарком, который можно выполнить на квантовом компьютере сегодня. Вы можете думать об этом как о точке входа для квантовых вычислений — он проверяет, делает ли квантовый компьютер что-то, что не может быть сделано на классическом компьютере. Любая команда, создающая квантовый компьютер, должна сначала проверить, может ли он превзойти классические компьютеры на RCS; в противном случае есть веские основания для скептицизма относительно того, что он может справиться с более сложными квантовыми задачами. Мы последовательно использовали этот бенчмарк для оценки прогресса от одного поколения чипов к другому — мы сообщили о результатах Sycamore в октябре 2019 года и недавно, в октябре 2024 года .

Производительность Willow на этом бенчмарке поразительна: он выполнил вычисление менее чем за пять минут, на что у одного из самых быстрых сегодняшних суперкомпьютеров ушло бы 10 25 или 10 септиллионов лет. Если вы хотите записать это, то это 10 000 000 000 000 000 000 000 000 лет. Это ошеломляющее число превышает известные временные масштабы в физике и значительно превышает возраст Вселенной. Оно подтверждает идею о том, что квантовые вычисления происходят во многих параллельных вселенных, в соответствии с идеей о том, что мы живем в мультивселенной, предсказание, впервые сделанное Дэвидом Дойчем.

Последние результаты для Willow, представленные на графике ниже, — наши лучшие на данный момент, но мы продолжим прогрессировать.

Вычислительные затраты сильно зависят от доступной памяти. Поэтому наши оценки рассматривают ряд сценариев, от идеальной ситуации с неограниченной памятью (?) до более практичной, смущающе параллелизуемой реализации на GPU (?).

Наша оценка того, как Willow опережает один из самых мощных в мире классических суперкомпьютеров, Frontier , основывалась на консервативных предположениях. Например, мы предположили полный доступ к вторичному хранилищу, т. е. жестким дискам, без каких-либо накладных расходов на полосу пропускания — щедрая и нереалистичная надбавка для Frontier. Конечно, как и произошло после того, как мы объявили о первом вычислении за пределами классики в 2019 году , мы ожидаем, что классические компьютеры продолжат совершенствоваться в этом бенчмарке, но быстро растущий разрыв показывает, что квантовые процессоры отстают с двойной экспоненциальной скоростью и продолжат значительно превосходить классические компьютеры по мере масштабирования.

5:59

Видео с главным научным руководителем Серхио Бойшо, основателем и руководителем Хартмутом Невеном и известным физиком Джоном Прескиллом, которые обсуждают случайную выборку цепей — эталонный тест, демонстрирующий производительность квантовых компьютеров, выходящую за рамки классических показателей.

Современная производительность

Willow был изготовлен на нашем новом современном производственном предприятии в Санта-Барбаре — одном из немногих предприятий в мире, построенных с нуля для этой цели. Системная инженерия является ключевой при проектировании и производстве квантовых чипов: все компоненты чипа, такие как одно- и двухкубитные вентили, сброс кубита и считывание, должны быть одновременно хорошо спроектированы и интегрированы. Если какой-либо компонент отстает или два компонента не работают вместе, это снижает производительность системы. Таким образом, максимизация производительности системы влияет на все аспекты нашего процесса, от архитектуры и производства чипа до разработки и калибровки вентиля. Достижения, о которых мы сообщаем, оценивают квантовые вычислительные системы целостно, а не только по одному фактору за раз.

Мы фокусируемся на качестве, а не только на количестве, потому что простое производство большего количества кубитов не поможет, если они недостаточно высокого качества. С 105 кубитами Willow теперь имеет лучшую в своем классе производительность по двум системным тестам, обсуждаемым выше: квантовая коррекция ошибок и случайная выборка цепей. Такие алгоритмические тесты являются лучшим способом измерения общей производительности чипа. Другие более конкретные показатели производительности также важны; например, наше время T 1 , которое измеряет, как долго кубиты могут сохранять возбуждение — ключевой квантовый вычислительный ресурс — теперь приближается к 100 мкс (микросекундам). Это впечатляющее улучшение примерно в 5 раз по сравнению с нашим предыдущим поколением чипов. Если вы хотите оценить квантовое оборудование и сравнить его на разных платформах, вот таблица основных характеристик:

Эффективность Willow по ряду показателей.

Что будет дальше с Willow и дальше

Следующая задача для этой области — продемонстрировать первое «полезное, выходящее за рамки классики» вычисление на современных квантовых чипах, которое будет иметь отношение к реальному приложению. Мы оптимистично настроены и с оптимизмом смотрим на то, что поколение чипов Willow поможет нам достичь этой цели. До сих пор было проведено два отдельных типа экспериментов. С одной стороны, мы провели тест RCS, который измеряет производительность по сравнению с классическими компьютерами, но не имеет известных реальных приложений. С другой стороны, мы провели интересные с научной точки зрения симуляции квантовых систем, которые привели к новым научным открытиям, но все еще находятся в пределах досягаемости классических компьютеров. Наша цель — сделать и то, и другое одновременно — войти в сферу алгоритмов, которые находятся за пределами досягаемости классических компьютеров и которые полезны для реальных, коммерчески значимых задач.

Метод случайной выборки цепей (RCS), хотя и чрезвычайно сложен для классических компьютеров, еще не продемонстрировал практических коммерческих применений.

Мы приглашаем исследователей, инженеров и разработчиков присоединиться к нам в этом путешествии, изучив наше программное обеспечение с открытым исходным кодом и образовательные ресурсы, включая наш новый курс на Coursera , где разработчики могут изучить основы квантовой коррекции ошибок и помочь нам создать алгоритмы, которые смогут решать проблемы будущего.

Мои коллеги иногда спрашивают меня, почему я оставил бурно развивающуюся область ИИ, чтобы сосредоточиться на квантовых вычислениях. Я отвечаю, что обе окажутся самыми преобразующими технологиями нашего времени, но продвинутый ИИ значительно выиграет от доступа к квантовым вычислениям. Вот почему я назвал нашу лабораторию Квантовым ИИ. Квантовые алгоритмы имеют фундаментальные законы масштабирования на своей стороне, как мы видим на примере RCS. Существуют похожие преимущества масштабирования для многих фундаментальных вычислительных задач, которые необходимы для ИИ. Таким образом, квантовые вычисления будут незаменимы для сбора обучающих данных, которые недоступны классическим машинам, обучения и оптимизации определенных обучающих архитектур и моделирования систем, где важны квантовые эффекты. Это включает в себя помощь нам в открытии новых лекарств, проектировании более эффективных батарей для электромобилей и ускорении прогресса в области термоядерного синтеза и новых энергетических альтернатив. Многие из этих будущих приложений, меняющих правила игры, не будут осуществимы на классических компьютерах; они ждут, чтобы их разблокировали с помощью квантовых вычислений.

Источник: blog.google

Комментарии: