Το κβαντικό chip Willow ενισχύει τις προσδοκίες για το μέλλον της υπολογιστικής

Ένα Νέο Ορόσημο στην Κβαντική Υπολογιστική

Η κβαντική υπολογιστική αποτελεί σημαντικό ερευνητικό πεδίο. Σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες υπολογιστών πέρα από το πυρίτιο, όπως η φωτονική ή τα βιολογικά οργανοειδή, αξιοποιεί διαφορετικές φυσικές αρχές για την εκτέλεση ορισμένων υπολογισμών.

Τα κβαντικά bit, ή qubit, μπορούν να βρίσκονται σε υπέρθεση καταστάσεων που περιγράφονται με πλάτη πιθανότητας. Αυτό δεν σημαίνει ότι αποθηκεύουν δύο ανεξάρτητα αναγνώσιμες κλασικές τιμές ταυτόχρονα. Με κατάλληλους αλγορίθμους, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να προσφέρουν πλεονέκτημα σε ορισμένα προβλήματα, όχι σε κάθε υπολογισμό.

Τον Δεκέμβριο του 2024 η Google παρουσίασε το Willow. Σύμφωνα με την εκτίμησή της, ολοκλήρωσε μια συγκεκριμένη δοκιμή δειγματοληψίας τυχαίων κυκλωμάτων σε λιγότερο από πέντε λεπτά, ενώ η αντίστοιχη κλασική προσομοίωση θα απαιτούσε περίπου 10^25 έτη. Η σύγκριση αφορά αυτό το ειδικό benchmark και συγκεκριμένες παραδοχές, όχι ένα ήδη χρήσιμο εμπορικό πρόβλημα.

Ξεχωριστή πρόοδος ήταν η μείωση των λογικών σφαλμάτων με την αύξηση του κώδικα διόρθωσης. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο Nature με τίτλο «Κβαντική διόρθωση σφαλμάτων κάτω από το κατώφλι του κώδικα επιφάνειας». Πρόκειται για σημαντικό πείραμα, όχι για ολοκληρωμένο υπολογιστή γενικής εμπορικής χρήσης.

Γνωρίστε το Willow

Το νέο κβαντικό chip της Google ονομάζεται Willow.

Πηγή: Google

Το Willow ακολουθεί προηγούμενες γενιές κβαντικών επεξεργαστών της Google, όπως οι Foxtail, Bristlecone και Sycamore.

Πηγή: Google

Για την επίδειξη υπολογιστικής απόδοσης χρησιμοποιήθηκε η δειγματοληψία τυχαίων κυκλωμάτων (RCS). Η δοκιμή εξετάζει τη δειγματοληψία από την κατανομή εξόδου κβαντικών κυκλωμάτων και τη δυσκολία προσομοίωσής τους με κλασικό υπολογιστή. Δεν μετρά απλώς έναν ισοδύναμο αριθμό κλασικών και κβαντικών bit.

Πηγή: Google

Πρόοδος προς την κλιμάκωση

Ένα βασικό εμπόδιο είναι η ευαισθησία των qubit στον θόρυβο και στην αλληλεπίδραση με το περιβάλλον. Οι ανεπιθύμητες μεταβολές μπορούν να καταστρέψουν τις πληροφορίες που χρειάζονται για τον υπολογισμό.

Το Willow χρησιμοποιεί υπεραγώγιμα κυκλώματα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Δεν ισχύει όμως ότι όλοι οι κβαντικοί υπολογιστές απαιτούν υπεραγωγούς ή την ίδια ψύξη: υπάρχουν επίσης προσεγγίσεις με παγιδευμένα ιόντα, ουδέτερα άτομα και φωτόνια.

Το βασικό μήνυμα του Julian Kelly μπορεί να αποδοθεί ως εξής: για χρήσιμους υπολογισμούς χρειάζεται τόσο η κβαντική πληροφορία όσο και η προστασία της από το περιβάλλον και από σφάλματα κατά τους χειρισμούς.

Julian Kelly — φυσικός και επικεφαλής κβαντικού υλικού στην Google· παραφραστική απόδοση.

Η προσθήκη περισσότερων φυσικών qubit δημιουργεί περισσότερα πιθανά σημεία σφάλματος. Ωστόσο, με επαρκώς αξιόπιστα qubit και κατάλληλη κωδικοποίηση, η επιπλέον πλεονασματική πληροφορία μπορεί να μειώσει το λογικό σφάλμα.

Αυτή η δυνατότητα καταστολής του λογικού σφάλματος είναι μία από τις σημαντικότερες συνεισφορές του Willow.

Η παρουσίαση της Google εξηγεί περισσότερα για τον επεξεργαστή και τις δοκιμές του:

Διόρθωση Σφαλμάτων

Η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων κωδικοποιεί ένα λογικό qubit σε πολλά φυσικά qubit. Με μετρήσεις κατάλληλων συνδρόμων σφάλματος μπορεί να εντοπίζει και να διορθώνει σφάλματα χωρίς να μετρά άμεσα την αποθηκευμένη λογική κατάσταση.

Δεν πρόκειται απλώς για επαναρύθμιση των λιγότερο αξιόπιστων qubit. Απαιτούνται πλεονασμός, κώδικας διόρθωσης, επαναλαμβανόμενες μετρήσεις και αποκωδικοποίηση των αποτελεσμάτων.

Πηγή: Google

Η καλύτερη βαθμονόμηση και ο έλεγχος του υλικού μειώνουν τα φυσικά σφάλματα και υποστηρίζουν τη διόρθωση. Οι βελτιώσεις λογισμικού δεν αρκούν από μόνες τους για κάθε είδος θορύβου.

Το κατώφλι της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων

Κάτω από ένα κατάλληλο κατώφλι φυσικού σφάλματος, η αύξηση του μεγέθους ενός κώδικα μπορεί να επιφέρει λιγότερα λογικά σφάλματα. Αυτό αφορά συγκεκριμένες συνθήκες και σωστή κωδικοποίηση, όχι οποιαδήποτε προσθήκη qubit. Το Willow έδειξε αυτή τη συμπεριφορά για κώδικα επιφάνειας αυξανόμενης απόστασης.

Σε παραφραστική απόδοση της ανακοίνωσης της Google: οι ερευνητές αύξησαν το πλέγμα qubit δεδομένων από 3×3 σε 5×5 και 7×7, με πρόσθετα qubit μέτρησης, και παρατήρησαν περίπου υποδιπλασιασμό του λογικού σφάλματος σε κάθε βήμα.

Google Quantum AI

Πηγή: Google

Όταν τα φυσικά σφάλματα βρίσκονται αρκετά χαμηλά, ο μεγαλύτερος κώδικας μπορεί να προστατεύει αποτελεσματικότερα τη λογική πληροφορία. Η αξιοπιστία εξαρτάται από το υλικό, τον θόρυβο, τις μετρήσεις και τον αποκωδικοποιητή.

Σημαντική ήταν και η βελτίωση της διάρκειας ζωής των καταστάσεων των qubit. Ο χρόνος χαλάρωσης T1 περιγράφει πόσο διαρκεί η διεγερμένη κατάσταση και δεν ταυτίζεται με κάθε μέτρο κβαντικής συνοχής.

Η ανακοίνωση της Google αναφέρει χρόνους T1 που πλησιάζουν τα 100 μικροδευτερόλεπτα, έναντι περίπου 20 για το Sycamore του 2019. Η τεχνική μελέτη δίνει επίσης μέση τιμή περίπου 68 ± 13 μικροδευτερολέπτων για τα σχετικά qubit· χρειάζεται διάκριση μεταξύ μέσων και επιλεγμένων τιμών.

Η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής βοηθά στη μείωση των σφαλμάτων, αλλά δεν συνεπάγεται από μόνη της εκθετική βελτίωση ολόκληρου του υπολογιστή. Η αναλογία με τον νόμο του Moore είναι ερμηνευτική, όχι καθιερωμένος νόμος για τα κβαντικά συστήματα.

Η Google παρουσιάζει το αποτέλεσμα ως ισχυρή ένδειξη ότι μπορούν να κατασκευαστούν μεγαλύτερα αξιόπιστα λογικά qubit. Η πρακτική εκτέλεση εμπορικά χρήσιμων αλγορίθμων που ξεπερνούν τους κλασικούς υπολογιστές παραμένει επόμενο βήμα.

Google Quantum AI — παραφραστική απόδοση της ανακοίνωσης.

Η πρόοδος στηρίχθηκε και στις επενδύσεις της Google στην κατασκευή και στον έλεγχο υπεραγώγιμων κβαντικών επεξεργαστών.

Από τα φυσικά στα λογικά qubit

Για μεγάλης κλίμακας ανεκτικούς σε σφάλματα υπολογισμούς χρειάζονται προστατευμένα λογικά qubit και αξιόπιστες λογικές πράξεις. Ένα λογικό qubit μπορεί να κωδικοποιείται σε πολλά φυσικά qubit, ενώ πειράματα μπορούν να εκτελούνται και χωρίς πλήρη ανοχή σε σφάλματα.

Εκτιμήσεις όπως 1.000 ή 200 φυσικά qubit ανά λογικό qubit εξαρτώνται από τον κώδικα, τον επιθυμητό ρυθμό σφάλματος και το έργο που εκτελείται. Δεν αποτελούν σταθερή αναλογία που έχει αποδείξει το Willow για κάθε εφαρμογή.

Το Willow διαθέτει 105 φυσικά qubit. Το πλήθος αυτό δεν ισοδυναμεί με 105 πλήρως προστατευμένα λογικά qubit.

Επόμενα Βήματα

Το πείραμα ενισχύει την προοπτική κλιμάκωσης μέσω διόρθωσης σφαλμάτων. Η εκθετική μείωση αφορά την αύξηση της απόστασης του συγκεκριμένου κώδικα κάτω από το κατώφλι, όχι τη γενική αύξηση κάθε συστήματος.

Τα επόμενα βήματα περιλαμβάνουν περισσότερα και καλύτερα φυσικά qubit, χαμηλότερα σφάλματα και αξιόπιστες λογικές πράξεις. Το Willow έχει ήδη επιδείξει λογική μνήμη· η δημιουργία χρήσιμου υπολογιστή απαιτεί περισσότερα από την αποθήκευση ενός λογικού qubit.

Χρειάζεται επίσης η εκτέλεση πράξεων μεταξύ λογικών qubit και, όπου απαιτείται, η διασύνδεση επιμέρους επεξεργαστών. Η κατάλληλη αρχιτεκτονική εξαρτάται από την τεχνολογία.

Η τακτική πρακτική χρήση απαιτεί ακόμη μεγάλη πρόοδο σε υλικό, έλεγχο, αλγορίθμους και κόστος. Η κλιμάκωση δεν είναι απεριόριστη ούτε αυτόματη.

Άλλες τεχνολογίες που έχουμε εξετάσει μπορούν επίσης να συμβάλουν σε κβαντικές αρχιτεκτονικές:

• Νανομηχανικοί συντονιστές, για τη μελέτη και τον έλεγχο κβαντικών καταστάσεων· δεν εξαλείφουν αυτομάτως την επίδραση της μέτρησης.
• Υπεραγώγιμα μη γραμμικά ασύμμετρα επαγωγικά στοιχεία (SNAIL), που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ταλαντωτές και στην κβαντική υπολογιστική συνεχών μεταβλητών.
• Βελτιωμένα υπεραγώγιμα υλικά, για μεγαλύτερη σταθερότητα και χαμηλότερα σφάλματα.

Το Willow είναι σημαντικό ερευνητικό ορόσημο, αλλά δεν είναι η πρώτη προσπάθεια κλιμακώσιμης κβαντικής υπολογιστικής ούτε ήδη διαθέσιμος εμπορικός υπολογιστής γενικής χρήσης.

Ο επικεφαλής του Google Quantum AI, Hartmut Neven, τόνισε το 2024 ότι οι χρήσιμες εμπορικές εφαρμογές δεν αναμένονταν άμεσα. Η θέση του μπορεί να συνοψιστεί ως εξής:

Οι πρώτες σχετικές εφαρμογές ενδέχεται να εμφανιστούν προς το τέλος της δεκαετίας, χωρίς αυτό να αποτελεί εγγυημένο χρονοδιάγραμμα. Πιθανός τομέας είναι η προσομοίωση συστημάτων όπου έχουν σημασία τα κβαντικά φαινόμενα.

Παραδείγματα ερευνητικών στόχων είναι τα υλικά για ενέργεια, η χημεία φαρμάκων και οι καλύτερες μπαταρίες. Η καταλληλότητα και το υπολογιστικό πλεονέκτημα πρέπει να αποδειχθούν για κάθε εφαρμογή. — Παραφραστική απόδοση.

Εφαρμογές

• Βιοχημική μοντελοποίηση: Η προσομοίωση ορισμένων μορίων και χημικών αντιδράσεων μπορεί να βοηθήσει την έρευνα. Δεν έχει αποδειχθεί ότι κάθε πρόβλημα αναδίπλωσης πρωτεϊνών ή γονιδιακής έκφρασης θα λυθεί ταχύτερα κβαντικά.
• Κλιματική μοντελοποίηση: Εξετάζονται πιθανοί κβαντικοί αλγόριθμοι για υπολογιστικά υποπροβλήματα. Η βελτίωση ολόκληρων κλιματικών μοντέλων δεν έχει αποδειχθεί και εξαρτάται και από δεδομένα και φυσικά μοντέλα.
• Ημιαγωγοί: Η κβαντική προσομοίωση υλικών θα μπορούσε να βοηθήσει τον σχεδιασμό νέων εξαρτημάτων. Δεν είναι βέβαιο ότι χρειάζεται κβαντικός υπολογιστής για κάθε πρόβλημα νανοηλεκτρονικής.
• Επιστήμη υλικών: Η μελέτη της ηλεκτρονικής δομής και των αλληλεπιδράσεων μπορεί να υποστηρίξει υλικά για μπαταρίες, καταλύτες και άλλες εφαρμογές, εφόσον επιτευχθεί πρακτικό υπολογιστικό πλεονέκτημα.
• Κρυπτογραφία: Ένας αρκετά μεγάλος ανεκτικός σε σφάλματα κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να απειλήσει σχήματα δημόσιου κλειδιού όπως RSA και ECC. Δεν καταργεί όμως όλες τις μορφές κρυπτογραφίας. Η μετακβαντική κρυπτογραφία έχει στόχο την αντιμετώπιση αυτών των απειλών.

Κίνδυνοι

Η σημαντικότερη συζητούμενη απειλή αφορά ορισμένα σημερινά κρυπτογραφικά σχήματα. Ο κίνδυνος εξαρτάται από τις μελλοντικές δυνατότητες των συστημάτων, όχι μόνο από την ταχύτητα ενός ειδικού benchmark.

Μετά την ανακοίνωση του Willow, σχολιαστές συζήτησαν πιθανές επιπτώσεις στο Bitcoin. Το Willow δεν έδειξε όμως ότι μπορεί να σπάσει τις κρυπτογραφικές υπογραφές του Bitcoin ή όλες τις υπάρχουσες μεθόδους κρυπτογράφησης.

Η μελλοντική απειλή σε ευάλωτες υπογραφές και σχήματα δημόσιου κλειδιού αφορά τόσο κρυπτονομίσματα όσο και τράπεζες και άλλες ψηφιακές υπηρεσίες. Τα συστήματα δεν χρησιμοποιούν όλα τις ίδιες μεθόδους και η μετάβαση απαιτεί διαφορετικές λύσεις.

Η ασφάλεια επικοινωνιών και κρατικών συστημάτων αποτελεί επίσης κίνητρο προετοιμασίας. Δεν τεκμηριώνεται όμως ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε αυτομάτως να παρακάμψει κάθε στρατιωτικό έλεγχο ασφαλείας.

Τον Φεβρουάριο του 2024 η Apple (AAPL ) ανακοίνωσε το πρωτόκολλο PQ3 για το iMessage, σχεδιασμένο για μετακβαντική προστασία. Η περιγραφή αυτή δεν αποτελεί απόλυτη εγγύηση ασφάλειας. Η μετάβαση μεγάλων οργανισμών σε νέα πρωτόκολλα απαιτεί σχεδιασμό και δεν γίνεται αυτόματα.

Το Willow δεν αποτελεί απόδειξη άμεσης δυνατότητας παραβίασης αυτών των συστημάτων. Ωστόσο, η πιθανότητα συλλογής κρυπτογραφημένων δεδομένων σήμερα για αποκρυπτογράφηση αργότερα δικαιολογεί έγκαιρη προετοιμασία.

Εταιρεία με δραστηριότητα στην κβαντική υπολογιστική

Η Google δραστηριοποιείται στην κβαντική υπολογιστική μέσω του Google Quantum AI και των εγκαταστάσεών της στη Santa Barbara.

Το 2019 η Google ανακοίνωσε ότι το Sycamore εκτέλεσε μια δοκιμή δειγματοληψίας σε περίπου 200 δευτερόλεπτα, έναντι εκτιμώμενων 10.000 ετών με την κλασική μέθοδο που συνέκρινε. Η εκτίμηση αμφισβητήθηκε και μεταγενέστερες κλασικές μέθοδοι βελτίωσαν σημαντικά τον χρόνο προσομοίωσης.

Το Willow έθεσε νέο σημείο αναφοράς σε μεταγενέστερη δοκιμή. Οι αριθμοί διαφορετικών πειραμάτων δεν συγκρίνονται απευθείας χωρίς να ληφθούν υπόψη το κύκλωμα και οι κλασικοί αλγόριθμοι.

Η Google έχει επίσης σημαντική παρουσία στο λογισμικό, με προϊόντα όπως η Αναζήτηση, το Google Workspace και το Android. Η εμπειρία αυτή μπορεί να στηρίξει εργαλεία κβαντικού προγραμματισμού.

Το Google Quantum AI διαθέτει εργαλεία λογισμικού που βοηθούν ερευνητές να αναπτύσσουν και να δοκιμάζουν κβαντικούς αλγορίθμους.

Η εταιρεία προσκαλεί ερευνητές και προγραμματιστές να εξετάσουν το ανοικτό λογισμικό της και εκπαιδευτικούς πόρους, όπως ένα μάθημα στο Coursera, για να μάθουν τις βασικές αρχές της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων. Αυτή είναι περίληψη της πρόσκλησης, όχι αυτούσιο παράθεμα.

Η ανοικτή διάθεση εργαλείων και η παρουσία της Google στο υλικό και στο cloud μπορούν να ενισχύσουν τη συμβολή της στο κβαντικό οικοσύστημα. Δεν εξασφαλίζουν ότι θα καθορίσει μόνη της τα πρότυπα ή την εξέλιξη του πεδίου.

Η Alphabet (GOOG ), μητρική της Google, δραστηριοποιείται επίσης στην τεχνητή νοημοσύνη και στην αυτόνομη οδήγηση μέσω της Waymo. Πρόκειται για διαφορετικές πηγές δυνητικής ανάπτυξης, ενώ η διαφήμιση παρέμενε βασικό μέρος των εσόδων της το 2024.