Was bedeutet Googles Quantenchip, wenn er eine Berechnungsaufgabe für 1.000 Billionen Jahre in 5 Minuten erledigt?

Unentschlossenheit, Quantenmechanik.

Die Entstehungsgeschichte der Quantenmechanik reicht mehr als 120 Jahre zurück. Vom Doppelspaltinterferenzexperiment des Lichts bis zum Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“ scheint es das geheimnisvollste und tiefgründigste Gesetz der Physik zu sein, das wir uns vorstellen können. Der amerikanische theoretische Physiker Richard Phillips Feynman sagte einmal:

Wenn Sie glauben, die Quantenmechanik zu verstehen, verstehen Sie die Quantenmechanik nicht.

Obwohl die Quantenmechanik ziemlich weit von uns entfernt ist, entwickelt sie sich auch rasant: 2016 startete mein Land erfolgreich den Quantenwissenschafts-Experimentalsatelliten „Mozi“. Der Nobelpreis für Physik wurde 2022 an drei Wissenschaftler als Anerkennung für ihre „“ verliehen. Forschungsbeitrag „Quanteninformationswissenschaft“.

Auch in der „Quantenmechanik“ hat Google in letzter Zeit große Fortschritte gemacht, was man als „Meilenstein“ der Innovation bezeichnen kann.

Hartmut Neven, der Gründer und Leiter von Googles Quanten-Künstliche-Intelligenz-Team „Quantum AI“, veröffentlichte auf seinem Blog einen Artikel, in dem er die Einführung seines neuesten Quantenchips „Willow“ ankündigte und ihn als großen Quantencomputer bezeichnete, der den Weg ebnete.

In dem Artikel heißt es im Text, dass dieser Chip „in vielen Indikatoren über eine Spitzenleistung verfügt“ und „ zwei große Errungenschaften erzielt“:

• Erstens erhöhte Willow die Anzahl der verwendeten „Qubits“ (105) und reduzierte die Fehler „exponentiell“.
• Zweitens hat Willow seinen neuesten „Random Circuit Sampling (RCS) Benchmark-Test“ in weniger als 5 Minuten abgeschlossen.

Um diese bahnbrechenden Errungenschaften zu verstehen, müssen wir verstehen, wie Quantencomputer/Quantenchips funktionieren.

Eines der Kernkonzepte der Quantenmechanik ist die „Superposition“, das heißt, ein Quantensystem kann in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Quantencomputer nutzen diese Superpositionseigenschaft, um „ Qubits “ zu erzeugen, die den Kern von Quantencomputern bilden Recheneinheit.

Anders als die Binärbits in klassischen Computern können Qubits gleichzeitig in einem „Überlagerungszustand“ von 0 und 1 sein . Dieser Zustand ermöglicht es Quantencomputern, mehrere Rechenpfade oder Zustände gleichzeitig zu verarbeiten, wodurch sie bei der Lösung bestimmter komplexer Probleme schneller und effizienter als klassische Computer sind.

Darüber hinaus gibt es eine besondere Beziehung zwischen Qubits, die „ Quantenverschränkung “ genannt wird: Wenn Qubits miteinander verschränkt sind, wirkt sich der Zustand eines Qubits sofort auf den Zustand des anderen Qubits aus, egal wie weit sie entfernt sind.

Zu diesem Zeitpunkt können wir den Zustand anderer Qubits anhand des Zustands eines bestimmten Qubits ermitteln, wodurch auch der Effekt der Informationsübertragung erzielt wird. Diese Eigenschaft ermöglicht es Quantencomputern, Informationen bei der Bearbeitung komplexer Probleme effizienter auszutauschen und zu übertragen.

Der Zustand von Qubits ist jedoch sehr fragil und wird leicht durch die äußere Umgebung (Temperatur, Vibration, elektromagnetische Strahlung usw.) gestört, was zum Verlust von Quanteninformation führt. Dieses Phänomen wird als „ Quantendekohärenz “ bezeichnet. Aufgrund der Verschränkung können sich Fehler von einem Qubit auf andere Qubits ausbreiten und so die Rechenleistung beeinträchtigen.

Und da Qubits dazu neigen, schnell Informationen mit ihrer Umgebung auszutauschen, ist es schwierig, die für die Durchführung von Berechnungen erforderlichen Informationen zu schützen. Im Allgemeinen gilt: Je mehr Qubits ein Quantencomputer verwendet, desto mehr Fehler treten auf und das gesamte System wird „klassischer“.

Dem Text zufolge haben Google-Forscher jedoch eine neue Methode zur „Quantenfehlerkorrektur“ eingeführt, mit der erkannt werden kann, dass je mehr Qubits im Willow-Chip verwendet werden, desto mehr Fehler werden reduziert und die Fehlerrate wird exponentiell sinken.

Nevin sagte in dem Artikel, dass diese historische Errungenschaft, in der Fachwelt als „Sub-Threshold“ bekannt, die Fähigkeit sei, die Anzahl der Qubits zu erhöhen und gleichzeitig Fehler zu reduzieren. Nevin betont auch, dass die Quantenfehlerkorrektur seit ihrer Einführung durch Peter Shor im Jahr 1995 eine äußerst schwierige Herausforderung sei.

Daher kann „unterhalb des Schwellenwerts“ einen „echten Fortschritt bei der Fehlerkorrektur“ anzeigen, und Willow ist das erste System unterhalb des Schwellenwerts, was zeigt, dass die Möglichkeit besteht, sehr große Quantencomputer zu bauen. Die Forschungsergebnisse wurden auch in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Darüber hinaus behauptete der Artikel, dass Willow den Random Circuit Sampling (RCS)-Test in 5 Minuten abgeschlossen habe, was angeblich „der schwierigste klassische Benchmark-Test auf heutigen Quantencomputern“ sei, und nannte diese neuesten Ergebnisse von Willow „die besten“. bis jetzt".

Zum Vergleich: Der schnellste Supercomputer der Welt benötigt 10^25 Jahre, um RCS zu berechnen, was sogar länger ist als das Alter des Universums (etwa 13,8 Milliarden Jahre).

Random Circuit Sampling (RCS)-Tests sind eine Methode zur Bewertung der Leistung von Quantencomputern. Die Kernidee besteht darin, mit einem Quantencomputer zufällig ausgewählte Quantengatteroperationen durchzuführen, zufällige Quantenzustände zu erzeugen und diese Quantenzustände dann abzutasten und zu messen.

RCS wurde zuerst von Naiwens Team vorgeschlagen und Naiwen sagte, es sei mittlerweile „ ein allgemeiner Standard auf diesem Gebiet “.

Erwähnenswert ist, dass Google im Jahr 2019 behauptete, der von ihm entwickelte Quantenprozessor „Sycamore“ könne Berechnungen in nur drei Minuten durchführen, für deren Fertigstellung der schnellste Supercomputer der Welt 10.000 Jahre gebraucht hätte Vorherrschaft ".

IBM bestritt die Ergebnisse der Computertests von Sycamore, und auch der Begriff „Quantenüberlegenheit“ sorgte für erhebliche Kontroversen, obwohl Google betont, dass es sich bei dem Begriff nur um einen „Kunstbegriff“ handele. Später versuchte Google, den Begriff zu vermeiden und sagte nur, dass das Unternehmen „über das klassische Computing hinaus“ erreicht habe.

Darüber hinaus verwenden IBM und Honeywell in ihrer Quantenmechanik-Forschung im Allgemeinen den Begriff „Quantenvolumen“, um ihre Quantencomputerausrüstung zu beschreiben und zu quantifizieren, Google verwendet dieses Konzept jedoch überhaupt nicht. Das Fehlen einheitlicher Standards erschwert den Vergleich konkurrierender Produkte.

Nevin sagte, dass Quantentechnologie ihren Nutzen bei der Sammlung von KI-Trainingsdaten, der Entwicklung neuer Energiefahrzeuge und der Entdeckung neuer Medikamente habe.

Gleichzeitig freute er sich auch auf das nächste Ziel der Quantenmechanik-Forschung von Google: eine Berechnung durchzuführen, die sowohl „relevant für tatsächliche Programme“ als auch „für klassische Computer nicht erreichbar“, wirklich „nützlich“ und „jenseits der Klassiker“ ist. .

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Ai Faner |. Ursprünglicher Link · Kommentare anzeigen · Sina Weibo