Chip Willow firmy Google uruchamia algorytm kwantowy 13 000 razy szybciej niż superkomputery: oto jak jego nadprzewodząca konstrukcja to umożliwia

Firma Google ogłosiła znaczący przełom w swoich wysiłkach na rzecz osiągnięcia użytecznych obliczeń kwantowych. Procesor Willow firmy podobno wykonał złożony algorytm Quantum Echoes około 13 000 razy szybciej niż obecnie najszybsze klasyczne superkomputery.

Willow stanowi znaczący skok w stosunku do przełomu Google z chipem Sycamore w 2019 roku. W przeciwieństwie do tego ostatniego, pierwszy nadprzewodzący chip ma wartość w świecie rzeczywistym. Wykazał on zastosowanie w rozwoju sztucznej inteligencji, modelowaniu chemicznym i zaawansowanych badaniach materiałowych, zgodnie z wynikami opublikowanymi w Nature.

Jak działa nadprzewodzący chip kwantowy Google?

Chip Willow wykorzystuje 105 nadprzewodzących kubitów (kubit to skrót od bitu kwantowego, podstawowej jednostki informacji w obliczeniach kwantowych; jest podobny do bitu w klasycznych obliczeniach). Każdy qubit działa jak pozorny atom i może przechowywać informacje w superpozycji lub w wielu stanach jednocześnie.

Gdy kubity splątają się (stan, w którym dwa lub więcej kubitów oddziałuje na siebie nawzajem, bez względu na odległość między nimi), przekazują informacje kwantowe w czasie rzeczywistym. Umożliwia to procesorowi analizowanie wielu rozwiązań jednocześnie.

Systemy kwantowe muszą być stabilne, aby utrzymać przewidywalny związek między ich stanami kwantowymi w czasie. Dlatego też Google zaprojektował Willow tak, aby działał w temperaturze bliskiej zera absolutnego, chroniąc przed ciepłem i zakłóceniami wibracyjnymi.

Architektura chipa została zoptymalizowana pod kątem szybkości i precyzji, a eksperyment wykazał wierność bramek jednokubitowych na poziomie 99,97 procent i bramek splątujących na poziomie 99,88 procent. Sprawia to, że Willow idealnie nadaje się do uruchamiania algorytmów kwantowych na dużą skalę.

(Wierność bramki jest miarą tego, jak działa bramka kwantowa w porównaniu do jej idealnej, bezbłędnej wersji. Im bliżej 100 procent, tym bardziej zachowuje się ona jak jej teoretyczny model)

Jak Google zweryfikowało kwantowe zdolności obliczeniowe Willow

Projekt Willow jest wyjątkowy ze względu na jego weryfikowalność. Dzięki możliwości weryfikacji wyników algorytmu Quantum Echoes na różnych maszynach lub w warunkach laboratoryjnych, Google było w stanie spełnić kluczowe wymagania dotyczące twierdzenia o wyższości kwantowej.

Algorytm Quantum Echoes pomaga naukowcom modelować zachowanie molekularne, wiązania chemiczne i struktury elektroniczne dokładniej niż klasyczne symulacje. Chip zasilał superkomputer, który rozwiązał algorytm, dostarczając wyniki w jednej trzynastej tysięcznej czasu, jaki zająłby klasyczny superkomputer.

Jak powiedział Tom O'Brien, badacz Google, powtarzalność Willow jest tym, co oddziela teoretyczne i praktyczne przełomy. Stwierdził: "Jeśli nie możemy udowodnić, że dane są poprawne, nie możemy nic z nimi zrobić"

Inny badacz w projekcie, laureat Nagrody Nobla Michel H. Devoret, który był głównym fizykiem, powiedział: "Pokazaliśmy, że obwody elektryczne mogą zachowywać się jak atomy. Teraz pokazujemy, co mogą zrobić te sztuczne atomy"

Co przełom w dziedzinie obliczeń kwantowych Willow firmy Google oznacza dla sztucznej inteligencji i nauki?

Nadprzewodnikowy chip Willow może pomóc naukowcom znacznie skrócić czas potrzebny na symulację systemów biologicznych. Ma on również potencjał do obsługi scenariuszy, w których klasyczne obliczenia nie generują dokładnych zestawów danych.

Procesor Google może być również stosowany do projektowania nowych materiałów i szkolenia wydajnych systemów sztucznej inteligencji. Jeśli zostanie to dalej zweryfikowane, przełom Willow może doprowadzić obliczenia kwantowe do progu praktyczności i skalowalności w rozwiązywaniu problemów przemysłowych.