Penyelidikan baharu daripada Stanford dan Berkeley menggulingkan 'ketuanan kuantum' Google! Cantik dalam teori, tetapi tidak berguna dalam amalan

Kuantum supremacy, istilah ini telah wujud selama hampir 4 tahun.

Pada tahun 2019, ahli fizik Google mengumumkan bahawa mereka telah berjaya mencapai hegemoni kuantum dengan mesin 53-qubit, yang merupakan peristiwa penting simbolik.

Dalam kertas kerja yang diterbitkan dalam Nature, dinyatakan bahawa sistem kuantum hanya mengambil masa 200 saat untuk menyelesaikan pengiraan, manakala pengiraan yang sama dilakukan oleh Summit, superkomputer paling berkuasa di masa, yang mengambil masa kira-kira 10,000 tahun.

Apakah ketuanan kuantum?

Apa yang dipanggil "hegemoni kuantum", atau "kelebihan kuantum" (selepas ini dirujuk sebagai "kekuasaan kuantum"), bermaksud bahawa tugas yang boleh diselesaikan oleh komputer kuantum adalah di luar skop mana-mana algoritma klasik yang boleh dilaksanakan.

Walaupun tugas ini diletakkan pada superkomputer tradisional yang paling maju, masa pengiraan yang panjang (selalunya beribu tahun) akan menjadikan algoritma kehilangan kepentingan praktikalnya.

Apa yang menarik ialah dalam keputusan Google pada tahun 2019, ia hanya menyatakan bahawa hegemoni kuantum telah dicapai, tetapi tidak menjelaskan kejadian khusus di mana komputer kuantum mengatasi komputer klasik.

Ini adalah soalan yang sukar untuk dijawab kerana pada masa ini komputer kuantum dibelenggu oleh ralat yang boleh mengumpul dan menjejaskan prestasi dan kestabilan pengkomputeran kuantum.

Malah, berbanding dengan bidang merealisasikan hegemoni kuantum, apa yang ingin diketahui oleh saintis adalah satu lagi persoalan: apabila komputer kuantum menjadi lebih besar dan lebih besar, sama ada algoritma klasik boleh mengikutinya.

Scott Aaronson, seorang saintis komputer di Universiti Texas di Austin, berkata: "Kami berharap akhirnya bahagian kuantum akan menjauhkan diri sepenuhnya dan menamatkan persaingan ini sepenuhnya."

Kebanyakan penyelidik membuat spekulasi bahawa jawapannya adalah tidak.

Iaitu, algoritma klasik suatu hari nanti tidak dapat sepenuhnya mengikuti rentak pengkomputeran kuantum, tetapi ia tidak dapat membuktikannya dengan tepat dan menyeluruh. Satu cara untuk membuktikan inferens ini secara muktamad ialah mencari keadaan di mana pengkomputeran kuantum boleh memperoleh "kelebihan yang berkekalan" berbanding pengkomputeran tradisional.

Kini, soalan ini nampaknya mempunyai jawapan awal:

Jimat masa: Pengkomputeran kuantum akan menghasilkan ralat Jika dibetulkan anda gagal untuk bersaing, ralat jenis ini akan memecahkan "hegemoni kuantum" dalam keadaan ideal, membolehkan algoritma klasik bersaing dengan algoritma kuantum. ​

Baru-baru ini, dalam kertas pracetak yang diterbitkan di Arxiv, penyelidik dari Universiti Harvard, Universiti California, Berkeley, dan Israel A joint pasukan dari Universiti Burei telah mengambil langkah besar ke arah mengesahkan kesimpulan ini.

Mereka menunjukkan bahawa pembetulan ralat yang disasarkan adalah syarat yang diperlukan untuk keunggulan kuantum yang tahan lama dalam persampelan litar rawak, menyokong kesimpulan penyelidikan Google beberapa tahun yang lalu. Di bawah tahap pembetulan ralat kuantum semasa, hegemoni kuantum sebenarnya tidak wujud. ​

Tiada lagi "zon emas" untuk ketuanan kuantum

Penyelidik telah membangunkan Algoritma klasik yang boleh mensimulasikan eksperimen persampelan litar rawak apabila ralat wujud untuk membuktikan kesimpulan ini.

Bermula daripada tatasusunan qubit, qubit ini dimanipulasi secara rawak menggunakan operasi yang dipanggil "gerbang kuantum." Sesetengah gerbang kuantum menyebabkan sepasang qubit terjerat, bermakna mereka berkongsi keadaan kuantum yang tidak boleh diterangkan secara individu.

Menetapkan get kuantum ini berulang kali dalam litar berbilang lapisan boleh membenarkan qubit memasuki keadaan terjerat yang lebih kompleks.

Gambar kiri menunjukkan pensampelan litar rawak di bawah keadaan ideal, dan gambar kanan menunjukkan pensampelan litar rawak termasuk gangguan

Dalam susunan untuk memahami keadaan kuantum ini, para penyelidik mengukur semua qubit dalam tatasusunan. Tingkah laku ini menyebabkan keadaan kuantum kolektif semua qubit runtuh menjadi rentetan rawak bit biasa, iaitu 0s dan 1s.

Bilangan hasil yang mungkin berkembang pesat dengan bilangan qubit dalam tatasusunan. Dalam percubaan Google 2019, 53 qubit mengandungi hampir 10 trilion hasil.

Selain itu, kaedah ini memerlukan pengukuran berulang daripada litar rawak berkali-kali untuk membina peta taburan kebarangkalian keputusan.

Persoalan tentang ketuanan kuantum ialah, adakah sukar atau mustahil untuk meniru taburan kebarangkalian ini dengan algoritma klasik yang tidak menggunakan sebarang kekusutan?

Pada 2019, penyelidik Google membuktikan bahawa matlamat ini sukar untuk litar kuantum bebas ralat yang tidak menghasilkan ralat. Memang sukar untuk mensimulasikan eksperimen persampelan litar rawak menggunakan algoritma klasik tanpa ralat.

Dari perspektif kerumitan pengiraan, apabila bilangan qubit meningkat, kerumitan pengiraan algoritma pengelasan tradisional meningkat secara eksponen, manakala kerumitan pengiraan algoritma kuantum meningkat secara polinomial.

Apabila n meningkat cukup besar, algoritma yang eksponen dalam n ketinggalan jauh di belakang mana-mana algoritma yang polinomial dalam n.

Inilah perbezaan yang kita maksudkan apabila kita bercakap tentang masalah yang sukar untuk komputer klasik tetapi mudah untuk komputer kuantum. Algoritma klasik terbaik mengambil masa eksponen, manakala komputer kuantum boleh menyelesaikan masalah dalam masa polinomial.

Walau bagaimanapun, kertas 2019 tidak mempertimbangkan kesan ralat yang disebabkan oleh gerbang kuantum yang tidak sempurna, dan kesimpulan penyelidikan sebenarnya meninggalkan lubang, iaitu rawak tanpa pembetulan ralat Bolehkah ketuanan kuantum dicapai melalui persampelan litar?

Malah, jika anda mempertimbangkan ralat terkumpul yang dijana dalam jalinan kuantum, kesukaran untuk mensimulasikan eksperimen persampelan litar rawak dengan algoritma klasik akan dikurangkan dengan banyaknya. Dan jika kerumitan pengiraan simulasi algoritma klasik dikurangkan kepada tahap polinomial yang sama seperti algoritma kuantum, hegemoni kuantum tidak akan wujud lagi.

Kertas baharu ini menunjukkan bahawa dengan mengandaikan kedalaman litar dikekalkan malar, katakanlah 3 lapisan yang sangat cetek, apabila bilangan qubit bertambah, tidak akan ada terlalu banyak keterikatan kuantum, Keluaran masih tersedia untuk simulasi klasik.

Sebaliknya, jika kedalaman litar ditingkatkan untuk mengikuti peningkatan bilangan qubit, maka kesan kumulatif ralat get kuantum akan mencairkan kerumitan yang disebabkan oleh kekusutan, simulasi dengan algoritma klasik Mengeksport masih akan menjadi lebih mudah.

Terdapat "zon emas" di antara kedua-duanya, iaitu tingkap di mana hegemoni kuantum boleh terus bertahan, iaitu julat di mana simulasi algoritma tradisional tidak dapat bersaing dengannya. keterikatan kuantum.

Sebelum penerbitan karya ini, walaupun bilangan qubit meningkat, ketuanan kuantum masih wujud apabila bilangan qubit mencapai julat pertengahan tertentu.

Pada kedalaman litar ini, sukar untuk mensimulasikan algoritma klasik pada setiap langkah, walaupun output semakin merosot disebabkan oleh ralat algoritma kuantum.

Kertas baharu ini hampir menghapuskan "zon emas" ini. ​

Kertas ini memperoleh algoritma klasik untuk mensimulasikan pensampelan litar rawak dan membuktikan bahawa masa berjalannya ialah fungsi polinomial bagi masa yang diperlukan untuk menjalankan eksperimen kuantum yang sepadan , bukannya fungsi eksponen.

Hasil ini mewujudkan hubungan teori yang rapat antara kelajuan kaedah klasik persampelan litar rawak dan kaedah kuantum, iaitu, ia mengisytiharkan bahawa hegemoni kuantum telah dicapai dalam teori dan dalam amalan itu hampir tidak wujud.

Sebab mengapa saya mengatakan "hampir" adalah kerana andaian asas algoritma baharu adalah tidak sah untuk sesetengah litar cetek, meninggalkan "jurang kecil" yang tidak diketahui.

Walau bagaimanapun, beberapa penyelidik masih menaruh harapan untuk mencapai ketuanan kuantum dalam jurang ini. Malah Bill Fefferman, seorang saintis komputer di Universiti Chicago dan salah seorang pengarang kertas kerja Google 2019, berkata: "Saya rasa peluangnya agak kecil."

Boleh dikatakan mengikut piawaian ketat teori kerumitan pengiraan, pensampelan litar rawak tidak akan lagi menghasilkan ketuanan kuantum.

Selain itu, berdepan dengan kesimpulan ini, semua penyelidik bersetuju tentang betapa kritikalnya pembetulan ralat kuantum kepada kejayaan jangka panjang pengkomputeran kuantum. Fefferman berkata: "Pada akhirnya, kami mendapati bahawa pembetulan ralat kuantum adalah penyelesaiannya."

Atas ialah kandungan terperinci Penyelidikan baharu daripada Stanford dan Berkeley menggulingkan 'ketuanan kuantum' Google! Cantik dalam teori, tetapi tidak berguna dalam amalan. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!