Dodano: 08 grudzień 2020r.

Kwantowa supremacja Chin. Urządzenie Jiuzhang znacznie szybsze od superkomputerów

Zespół chińskich naukowców opracował komputer kwantowy, który, jak twierdzą jego autorzy, demonstruje kwantową supremację. Przewaga komputera Jiuzhang przejawia się w szybkości obliczeń. Jak podał chiński zespół badaczy, ich kwantowy komputer potrzebował zaledwie 200 sekund do wykonania obliczeń, które najszybszemu tradycyjnemu komputerowi zajęłyby miliony lat.

Kwantowa supremacja Chin. Urządzenie Jiuzhang znacznie szybsze od superkomputerów

 

W październiki ubiegłego roku przedstawiciele firmy Google potwierdzili wcześniejsze doniesienie medialne o osiągnięciu supremacji kwantowej. Stworzony przez nich komputer Sycamore wydawał się być długo oczekiwanym przełomem w dziedzinie obliczeń kwantowych. Inżynierowie z Google'a poinformowali, że ich komputer kwantowy, w nieco ponad trzy minuty, rozwiązał problem, który zająłby nawet najlepszym konwencjonalnym maszynom tysiące lat.

Komputery kwantowe mogą znacznie przewyższać konwencjonalne maszyny. Celem jest osiągnięcie tego, co jest określane jako „supremacja kwantowa”, czyli ogromna przewaga obliczeniowa nad tradycyjnymi komputerami. Komputer Sycamore osiągnął przewagę tylko w bardzo konkretnym przypadku. Eksperyment inżynierów Google'a  polegał na wykonaniu losowych operacji na kubitach i odczytaniu wyniku. Wygenerowany w ten sposób zestaw cyfr zakodowany w systemie dwójkowym, został sprawdzony, czy ich rozkład jest naprawdę losowy. Obliczenia te nie są szczególnie przydatne, ale mają duże implikacje dla mocy przetwarzania urządzenia.

Jiuzhang

Komputery kwantowe to wciąż nowa dziedzina. Naukowcy na całym świecie pracują nad bardzo różnymi projektami. O swoim komputerze kwantowym i jego osiągach poinformowali na łamach „Science” chińscy naukowcy. Jednak ich komputer różni się od maszyny Google'a.

Sycamore został oparty na kubitach, czyli kwantowych bitach, reprezentowanych przez mocno schłodzone materiały nadprzewodzące. Tam, gdzie klasyczne komputery wykonują obliczenia przy użyciu bitów, które mogą mieć jeden z dwóch stanów (zazwyczaj reprezentowanych przez 1 lub 0), bity kwantowe, czyli kubity, mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie. To pozwala im szybciej rozwiązywać problemy niż klasyczne komputery.

Ale chociaż teorie przewidujące, że obliczenia kwantowe pokonają te klasyczne, istnieją od dziesięcioleci, to budowanie praktycznych komputerów kwantowych okazało się znacznie trudniejsze.

Naukowcy z Chin stworzyli komputer kwantowy oparty na fotonach. Użyli wiązek światła laserowego do wykonania obliczeń praktycznie niemożliwych na zwykłych komputerach. Chodzi o tzw. gaussowskie próbkowanie bozonu (z j. ang. Gaussian boson sampling – GBS). Jiuzhang osiągnął w ciągu kilku minut to, co na najlepszych istniejących superkomputerach zajęłoby miliony lat.

- Pokazaliśmy, że możemy wykorzystać fotony, podstawową jednostkę światła, do zademonstrowania kwantowej mocy obliczeniowej znacznie wykraczającej poza jej klasyczny odpowiednik - powiedział Jian-Wei Pan z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hefei. Uczony dodał, że obliczenia, które przeprowadzili, są nie tylko wygodnym narzędziem do zademonstrowania przewagi kwantowej, ale mają potencjalne praktyczne zastosowania w teorii grafów, chemii kwantowej i uczeniu maszynowym.

Próbkowanie bozonu

Problem próbkowania bozonu polega na obliczeniu rozkładu prawdopodobieństwa wielu bozonów - kategorii cząstek elementarnych obejmujących fotony - których fale kwantowe interferują ze sobą w sposób, który zasadniczo losuje położenie cząstek. Innymi słowy chodzi o obliczenie mocy wyjściowej liniowego obwodu optycznego, który ma wiele wejść i wyjść.

Chińscy naukowcy skonstruowali maszynę, w której fotony są wysyłane równolegle do obwodu, a gdy już znajdą się w środku, są rozdzielane przez dzielniki wiązki lub lustra. Warto zauważyć, że jeśli dwa fotony napotkają ten sam rozdzielacz wiązki jednocześnie, oba będą podążać tą samą ścieżką. Metoda próbkowania bozonu ma za zadanie odgadnięcie rozkładu fotonów na wyjściu – odgadnięcie z konfiguracji fotonów przy wejściu konfiguracji wyjściowej. Konwencjonalne komputery bardzo szybko grzęzną w martwym punkcie, gdy próbują obliczyć rozkłady takiego systemu.

Jiuzhang został zbudowany do obsługi 100 wejść i 100 wyjść przy użyciu 300 rozdzielaczy wiązek i 75 luster. Cały układ optyczny został ze sobą połączony, zatem każdy foton mógł wejść do układu w dowolnym punkcie i wyjść również w dowolnym punkcie. Opracowany przez chińskich uczonych komputer Jiuzhang znalazł rozwiązanie problemu próbkowania bozonu w 200 sekund. Naukowcy oszacowali też, że takie obliczenia na chińskim superkomputerze TaihuLight (uważany obecnie za trzeci najpotężniejszy superkomputer na świecie) zajęłyby 2,5 miliarda lat.

Urządzenie Google wykorzystuje materiały nadprzewodzące i infrastrukturę przypominającą podstawową strukturę klasycznych komputerów. Z kolei chiński komputer dokonuje obliczeń ograniczonych do konkretnego problemu zachowania się cząstek światła, za pomocą obwodów optycznych. Żaden z nich nie byłby sam w sobie szczególnie przydatny jako komputer. Do tego chińskie urządzenie nie jest programowalne i zostało zbudowane w celu rozwiązania wyłącznie jednego rodzaju problemu, choć można je wykorzystać do niektórych wyspecjalizowanych obliczeń.

 

Źródło: Nature, fot. Hansen Zhong