48

Google coraz bliżej kwantowej supremacji, to może być rewolucja na miarę tranzystora

Komputery kwantowe już od dłuższego czasu wyszły poza sferę teoretycznych rozważań, a prace nad nimi prowadzą największe technologiczne firmy na świecie. Co jakiś czas słyszymy też, że kolejne zespoły naukowców posiadają procesor operujący na kilkudziesięciu "kubitach". Swoim najnowszym osiągnięciem pochwaliło się właśnie Google, które pracuje nad jednostką Bristlecone.

Google prace nad komputerami kwantowymi rozpoczął w 2014 roku i początkowo planował osiągnąć poziom kwantowej supremacji jeszcze przed końcem 2017 roku. Dzisiaj już wiemy, że ten plan się nie powiódł, ale zespół pracujący nad projektem o kodowej nazwie Bristlecone ma się czym pochwalić. 72 kubitowy procesor spisuje się coraz lepiej i w zasadzie jednym, choć nie błahym problemem, pozostaje zapewnienie większej poprawności wykonywanych przez niego obliczeń.

Czym jest kwantowa supremacja?

Termin „quantum supremacy” co w wolnym tłumaczeniu możemy określić mianem „kwantowej supremacji”, ukuli w latach 1980-1981 dwaj słynni fizycy – Yuri Manin i Richard Feynman, którzy jako jedni z pierwszych zastanawiali się nad koncepcją komputera kwantowego. Poziom kwantowej supremacji zostanie osiągnięty wtedy, gdy uda się stworzyć procesor, który będzie w stanie wykonywać obliczenia szybciej, niż najszybszy obecnie tradycyjny superkomputer. Szacuje się, że „wystarczy” do tego procesor operujący na 49 kubitach.

Obecnie nad tego typu układami pracuje poza Google jeszcze kilka firm, na czele z Intelem, IBM, Microsoftem oraz szeregiem mniejszych podmiotów założonych przez pracowników naukowych. Ten kto pierwszy będzie w stanie stworzyć procesor zdolny do operacji na 49 lub więcej kubitach i zapewniający odpowiednio niskie prawdopodobieństwo błędu, może osiągnąć bardzo dużą przewagę nad resztą stawki.

Czym są te kubity?

Kubit, czyli po angielsku qubit albo qbit, to skrót od „quantum bit„, czyli bitu kwantowego. Jest to swoisty odpowiednik jednego bitu w tradycyjnym, binarnym systemie danych. Jednym słowem jest to najmniejsza jednostka informacji w świecie kwantowym. W odróżnieniu jednak od tradycyjnego bitu, który może przyjąć tylko jedną z dwóch wartości – 0 lub 1, kubit może przyjąć też obie wartości jednocześnie.

To jednak nie wszystko, w czasie gdy tradycyjny komputer jest w stanie wykonać na danej wartości jedną operację, komputer kwantowy wykona tę operację na wszystkich możliwych wartościach. I tak np. dla 2 bitów wartości może być 4, więc procesor 2 kubitowy będzie 4 razy szybszy niż tradycyjny układ tranzystorowy. Gdy mamy 3 bity danych, to przewaga procesora kwantowego jest już 8 razy większa.  Dla 4 bitów jest to już 16 itd. W przypadku procesora 49 kubitowego, który ma zapewnić kwantową supremację, będzie on szybszy 562 949 953 421 312 razy od układu tradycyjnego, czyli 2^49.

Bristlecone ma 72 kubity

Procesor Bristlecone, z którego korzystają naukowcy w Google operuje na 72 kubitach, ale to wcale nie oznacza, że już teraz osiąga ogromną przewagę nad konkurencją. Największym problemem w procesorach kwantowych są zakłócenia stanów. Procesory kwantowe działają w odizolowanych środowiskach w temperaturze mierzonej w milikelwinach (czyli bardzo blisko zera absolutnego), ale nawet pomimo tego, zakłócenia powodują błędy w obliczeniach. Dlatego konieczne jest stosowanie silnej korekcji danych, co nie pozostaje bez wpływu na wydajność obliczeń. Stąd osiągane wyniki dalekie są od teoretycznego potencjału.

Google pochwaliło się, że obecnie system jednokubitowy charakteryzuje się współczynnikiem błędów na poziomie 0,1%, dla dwukubitowego jest to już 0,6%, więc nadal daleko jesteśmy od ideału. Jeśli (kiedy?) jednak w przyszłości uda się te problemy rozwiązać to można oczekiwać, że wszelkiego rodzaju symulacje oraz uczenie maszynowe znacznie przyśpieszą. Zanim to jednak nastąpi minie jeszcze zapewne sporo czasu, a Google cieszy się już z samego faktu, że prace nad procesorami kwantowymi pozwalają także rozwijać szereg powiązanych technologii związanych z oprogramowaniem i elektroniką.