9 декабря 2024 года Хартмут Невен, руководитель команды Google Quantum AI, анонсировал их новейший квантовый чип «Willow», который потряс весь мир. Чип, как утверждается, способен выполнять вычисления, на которые самым быстрым суперкомпьютерам потребовалось бы 10²⁵ лет, что значительно превышает возраст Вселенной. Это достижение знаменует собой значительный скачок в технологии квантовых вычислений, который может революционизировать подход к решению сложных вычислительных задач.
В этой статье мы рассмотрим Willow, его возможности, проблемы, которые он решает, его преимущества, области применения и мнения экспертов, проливая свет на то, как он вписывается в более широкую область квантовых вычислений.
Что такое Willow Quantum Chip?
Квантовый чип Willow разработан командой Google Quantum AI и выпущен 9 декабря 2024 года. Он представляет собой значительный скачок по сравнению с предыдущими чипами, такими как Sycamore, за счет увеличения количества квантовых битов (кубитов) и внедрения новых технологий исправления ошибок и когерентности кубитов. Имея 105 физических кубитов, Willow предназначен для выполнения квантовых вычислений с ранее недостижимым уровнем точности и надежности.
В квантовых вычислениях кубиты значительно отличаются от классических битов. В то время как классические биты могут существовать в одном из двух состояний — 0 или 1 — кубит может существовать в суперпозиции обоих состояний одновременно. Эта способность представлять несколько состояний одновременно позволяет квантовым компьютерам параллельно обрабатывать огромные объемы данных, что делает их потенциально гораздо более мощными, чем классические компьютеры, для выполнения определенных задач.
Какие проблемы решает Willow?
Willow решает несколько ключевых проблем, которые традиционно препятствовали развитию квантовых вычислений:
Квантовая коррекция ошибок — экспоненциальное сокращение ошибок
Одной из самых больших проблем в области квантовых вычислений является обеспечение точности вычислений. Кубиты очень чувствительны к шуму окружающей среды, и даже незначительные помехи могут привести к сбою вычислений. Раньше чем больше кубитов использовалось в квантовой системе, тем выше была частота ошибок. Однако недавнее открытие Google, опубликованное в журнале «Nature», показывает, что в чипе Willow чем больше кубитов используется, тем ниже частота ошибок системы и тем более выраженными становятся квантовые свойства.
Подробнее: Квантовая коррекция ошибок ниже порога поверхностного кода
Willow представляет усовершенствованную систему исправления ошибок с использованием «логических кубитов», которые распределяют информацию по нескольким физическим кубитам, снижая частоту ошибок в 20 раз по сравнению с предыдущими моделями. Это экспоненциальное снижение частоты ошибок решает критическую проблему в области исправления квантовых ошибок, которая существовала на протяжении почти 30 лет, что стало важной вехой с момента предложения Питера Шора по исправлению квантовых ошибок в 1995 году и приблизило нас к созданию практических квантовых компьютеров.
Увеличение времени когерентности кубита — в 5 раз
Еще одной серьезной проблемой является время когерентности кубитов. Когерентность означает способность кубитов сохранять свое квантовое состояние в течение времени, достаточного для выполнения вычислений. Willow увеличивает время когерентности своих кубитов до 100 микросекунд, что является значительным улучшением по сравнению с предыдущими квантовыми чипами, такими как Sycamore, время когерентности которых составляло всего 20 микросекунд. Это улучшение позволяет Willow выполнять более сложные вычисления без потери квантовой информации.
Супервычислительная производительность — 5 минут против 10²⁵ лет
Чтобы проверить производительность чипа Willow, Google использовала задачу «случайной выборки схем» (RCS), которая широко считается «золотым стандартом» в области квантовых вычислений. Эта задача была разработана, чтобы определить, могут ли квантовые компьютеры выполнять задачи, которые для традиционных компьютеров практически невозможны. Результаты были поразительными: Willow выполнил вычисление менее чем за пять минут — то, что самым быстрым суперкомпьютерам потребовалось бы 10²⁵ лет, чтобы завершить, а это время больше, чем возраст самой Вселенной. Хартмут Невен, руководитель проекта Google Quantum AI, отметил, что это достижение делает идею «квантовых вычислений, происходящих одновременно в нескольких параллельных вселенных» более правдоподобной, что согласуется с теорией мультивселенной, предложенной физиком Дэвидом Дойчем.
Мнения экспертов о Willow
Сообщество квантовых вычислений быстро осознало значение Willow. Эксперты высоко оценивают его достижения в области коррекции квантовых ошибок и когерентности кубитов. Барбара Терхал, физик из Делфтского технологического университета, похвалила Willow за то, что он продемонстрировал, что увеличение размера сетки квантовых битов приводит к экспоненциальному улучшению подавления ошибок. Этот прорыв может открыть путь к созданию еще более мощных квантовых компьютеров в будущем.
Джулиан Келли, глава отдела квантового оборудования Google, отметил, что достижения Willow — это не просто доказательство концепции, а значительный шаг к практическому применению квантовых вычислений. «Это уже не просто академическое упражнение, — сказал он. — Willow доказал, что крупномасштабные и надежные квантовые вычисления вполне достижимы».
Применение ивы
Несмотря на то, что Willow может найти непосредственное применение в сфере исследований и разработок, его долгосрочный потенциал охватывает широкий спектр отраслей:
Квантовая химия и открытие лекарственных препаратов
Квантовые компьютеры, такие как Willow, могут моделировать молекулярные структуры и химические реакции с беспрецедентной точностью. Это окажет значительное влияние на такие отрасли, как фармацевтика, где открытие новых лекарств может быть ускорено за счет моделирования сложных молекул.
Проблемы оптимизации
Квантовые вычисления превосходны в решении задач оптимизации, которые часто встречаются в таких отраслях, как логистика, финансы и производство. Willow может быть использован для оптимизации цепочек поставок, финансовых портфелей и даже транспортных систем, что приведет к повышению эффективности операций в этих областях.
Криптография
Одно из наиболее известных потенциальных применений квантовых вычислений — взлом классических систем шифрования. Хотя это часто преувеличивается, квантовые компьютеры теоретически могут взломать определенные криптографические протоколы, основанные на факторизации простых чисел, что является проблемой, которую классические компьютеры с трудом решают эффективно.
Искусственный интеллект и машинное обучение
Хотя Willow не предназначена для замены графических процессоров при обучении больших языковых моделей, она может сыграть важную роль в ускорении определенных аспектов машинного обучения, таких как оптимизация и распознавание образов.
Часто задаваемые вопросы о Willow
Как Willow сравнивается с предыдущими квантовыми чипами?
Willow представляет собой значительное усовершенствование по сравнению с более ранними квантовыми процессорами, такими как Sycamore. Он отличается большим количеством кубитов, более длительным временем когерентности и более совершенной системой исправления ошибок, что делает его гораздо более мощным и надежным квантовым чипом.
Может ли Willow решить все вычислительные задачи?
Нет, Willow не является универсальным решением всех компьютерных проблем. Хотя он превосходно справляется с конкретными задачами, такими как случайная выборка схем, он не предназначен для замены классических компьютеров во всех приложениях. Квантовые компьютеры, такие как Willow, лучше всего подходят для задач, которые сложно решить классическим компьютерам, таких как оптимизация и сложные симуляции.
Заменит ли Willow классические компьютеры?
Нет, Willow и другие квантовые компьютеры не предназначены для замены классических компьютеров. Это специализированные машины, которые превосходно справляются с решением определенных типов задач. Классические компьютеры по-прежнему будут необходимы для повседневных задач, а квантовые компьютеры, такие как Willow, будут дополнять их, решая более сложные задачи.
Заключение
Willow представляет собой значительный скачок вперед в развитии квантовых вычислений, давая представление о будущем, в котором квантовые компьютеры смогут решать задачи, недоступные для классических машин. Благодаря усовершенствованной системе исправления ошибок, повышенной когерентности кубитов и превосходной вычислительной мощности Willow создает основу для следующего поколения квантовых технологий. Хотя это еще только начало, прогресс, продемонстрированный Willow, дает надежду на то, что квантовые вычисления в скором времени могут стать инструментом, способным преобразовать различные отрасли, от разработки лекарств до оптимизации и криптографии. По мере продолжения исследований в области квантовых вычислений инновации Willow, несомненно, будут стимулировать дальнейшие прорывы, приближая нас к новой эре вычислительных возможностей.
