Классические вычисления продолжают наносить ответный удар в последнем квантовом ударе

Дуг Идлайн

23 августа 2023 г.

По мере развития квантовых вычислений периодически появляются объявления о достижении квантового превосходства — теста, в ходе которого квантовые компьютеры (QC) выполняют какой-либо пример алгоритма намного быстрее, чем классические компьютеры. Хорошие вопросы и ответы о квантовом превосходстве можно найти в блоге Скотта Ааронсона.

Один из опубликованных результатов был получен в 2019 году. В этом случае квантовый компьютер (53-кубитный чип Sycamore от Google), созданный Google, работал так, что компания заявила, что для его воспроизведения на суперкомпьютерном оборудовании того времени потребуется 10 000 лет. . Конкретная задача заключалась в моделировании вывода случайной последовательности вентилей и кубитов в квантовом компьютере. Хотя это звучит полностью самореферентно, последовательности единиц и нулей были получены посредством случайного поведения кубитов, но демонстрируют особый случайный результат, который исследователи могут проверить.

В ответ IBM опубликовала документ, в котором утверждается, что 250 петабайт памяти суперкомпьютера Summit в Ок-Ридже могут фактически хранить весь вектор квантового состояния чипа Google Sycamore. Эта конфигурация позволит вычислить те же результаты примерно за 2,5 дня путем грубого обновления всего вектора состояния (все 250 петабайт).

Однако добавление всего лишь нескольких дополнительных кубитов восстановило бы непреодолимое преимущество в области контроля качества. Если Google или кто-то другой обновится с 53 до 55 кубитов, этого будет достаточно, чтобы превысить емкость хранилища Summit в 250 петабайт. При 60 кубитах вам понадобится 33 вершины, но кто считает?

В этом случае, когда QC возвращается в свой угол с поднятыми в знак празднования руками, классический подход встает и готов к следующему раунду.

В статье 2021 года исследователи отметили, что Google выбрал очень специфический метод расчета ожидаемого поведения своего процессора, но есть и другие способы выполнения эквивалентных вычислений. С момента опубликования результатов несколько классических вариантов показали результаты, которые работают лучше. В качестве примера в своей статье Фэн Пан, Кейанг Чен и Пан Чжан описали конкретный метод, который позволяет кластеру на базе графического процессора давать те же результаты, что и контроль качества, всего за 15 часов. Исследователи отметили, что решение задачи с использованием суперкомпьютера с графическим процессором (например, Summit) превзойдет по производительности квантовый процессор Sycamore.

В июне этого (2023) года IBM опубликовала в журнале Nature важные результаты контроля качества. На этот раз вместо создания особого вида случайности исследователи использовали 127-кубитный процессор IBM Eagle для расчета так называемой модели Изинга, которая моделирует поведение 127 магнитных частиц квантового размера в магнитном поле. Эта проблема на самом деле имеет реальную ценность, включая ферромагнетизм, антиферромагнетизм, фазовые переходы жидкость-газ и сворачивание белка. Закодированный в 127 кубитов, он представляет собой квантовое превосходство в масштабе, а не в скорости, поскольку даже у самого большого классического компьютера не будет достаточно памяти для решения этой проблемы.

Команда IBM использовала интересный подход для уменьшения квантового шума и, таким образом, получения более полезного результата. Исследователи фактически ввели больше шума, а затем точно зафиксировали воздействие на каждую часть схемы процессора. Используя эти данные, исследователи смогли экстраполировать, как бы выглядели расчеты без шума.

Результат IBM казался настоящим ударом по классическим вычислениям, но недостаточным, чтобы вызвать нокаут. В течение двух недель после объявления исследователи из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрон приняли вызов. Они предварительно опубликовали статью о своих результатах и ​​сообщают, что «приняв подход тензорной сети, мы можем выполнить классическое моделирование, которое будет значительно более точным, чем результаты, полученные с помощью квантового устройства. Они также упомянули, что при моделировании использовались «скромные вычислительные ресурсы».

Чтобы не отставать, в недавнем препринте Томислава Бегушича и Гарнета Кин-Лика Чана из Калифорнийского технологического института говорится: «Наши классические симуляции на одном ядре ноутбука на порядки быстрее, чем сообщаемое время квантовой стенки». симуляции»