Kvanttisirun virstanpylväs herättää innostusta laskennan tulevaisuudessa

Uusi kvanttisen laskennan virstanpylväs

Kvanttilaskenta on, yhdessä tekoälyn kanssa, uusi horisontti teknologiasektorille. Tämä johtuu siitä, että toisin kuin muut ei-silikonilaskennan teknologiat, kuten grafeeni, fotoniikka tai jopa biologiset organoidit, kvanttilaskenta suorittaa laskutoimituksia radikaalisti uudella tavalla.

Se tapahtuu hyödyntämällä kvanttivaikutuksia, jolloin laskenta ei tapahdu 0 ja 1 (binaariset bitit) avulla, vaan kubitteina, joissa hiukkasan tieto on samanaikaisesti 0 JA 1, tai 1, tai 0. Nämä erilaiset menetelmät tarkoittavat, että joissakin matemaattisissa ongelmissa kvanttitietokoneet voivat olla järjettömän tehokkaampia kuin tavalliset tietokoneet.

Ja juuri tätä Google juuri osoitti: se on esitellyt uuden sirun, joka tarvitsee viisi minuuttia ratkaistakseen ongelman, jonka maailman nopeimmat supertietokoneet tällä hetkellä veisivät kymmenen septillionia – eli 10 000 000 000 000 000 000 000 000 vuotta – suorittaakseen.

Tämän merkittävän suorituskyvyn lisäksi tämä saattaa olla myös ensimmäinen kvanttitietokonesiru, jolla on kohtuullinen mahdollisuus olla skaalautuva ja luotettava hyödyllisiin laskelmiin. Tulokset julkaistiin huipputieteellisessä lehdessä Nature otsikolla Kvanttivirheenkorjaus pinnakoodin kynnyksen alapuolella.

Tapaa Willow

Kyseinen Googlen kvanttinen laskentasiru on nimeltään Willow.

Lähde: Google

Tämä on viimeisin versio Googlen kehittämästä sarjasta yhä voimakkaampia kvanttisiruja, nimeltään Foxtail, Bristlecone ja Sycamore.

Lähde: Google

Willowin suorituskyvyn testaamiseksi käytettiin satunnaisen piirin näytteenotto (RCS) -vertailua sen vertaamiseksi tavalliseen supertietokoneeseen. Tämä tekniikka luotiin Sycamoren suorituskyvyn mittaamiseen, ja se arvioi, kuinka monta kubittia tarvitaan vastaavan määrän saavuttamiseksi klassisella tietokoneella.

Lähde: Google

Skaalautuvuus vihdoin ulottuvilla

Yksi merkittävä kvanttilaskennan rajoitus tähän mennessä on se, että kubitit ovat äärimmäisen haavoittuvia. Tämä johtuu siitä, että kvanttitilat ovat yleensä hyvin lyhytkestoisia, ja ympäristön häiriöt epävakauttavat kvanttilaskentaan vaadittuja olosuhteita.

Tämän takia kaikki nykyiset kvanttitietokoneet käyttävät ultra-kylmiä olosuhteita ja vaativat suprajohtavia materiaaleja. Tämä tekee niistä paitsi monimutkaisempia ja kalliimpia, myös erittäin vaikeita käyttää luotettavasti.

“Saadaksesi kvanttitietokoneen suorittamaan hyödyllisiä laskelmia, sinun täytyy kvanttinen informaatio, ja sinun täytyy suojata se ympäristöltä — ja itseltämme, kun käsittelemme sitä.”
Julian Kelly – Google‑fysiikko, joka johtaa kvanttihardware‑osastoa

Ongelmaan lisättynä tähän mennessä järjestelmän kubittien määrä kasvaa, virheiden määrä kasvaa. Mikä tahansa epävakaus aiheuttaa dominoefektin. Mitä enemmän kubitteja, sitä enemmän virheitä, kunnes lisätty laskentateho itse asiassa heikentää kokonais suorituskykyä.

Ja ehkä enemmän kuin sen laskentakyvyssä, juuri tässä Willow on todellinen läpimurto.

Voit myös tarkastella suoraan Willowin tarkkaa suorituskykyä Googlen omassa videoesityksessä:

Virheenkorjaus

Googlelle keskeinen askel on ollut työskennellä niin kutsutun virheenkorjauksen parissa. Ajatus on, että tietyssä kvanttitietokoneessa jotkut kubitit ovat luotettavampia kuin toiset.

Niinpä poikkeavat tai heikommin toimivat kubitit voidaan konfiguroida toimimaan kuten sirun muut osat.

Lähde: Google

Lisäparannuksia voidaan saavuttaa kalibrointimenetelmän kehittämisellä, jolloin virheet minimoidaan ohjelmistoparannuksilla kaikilla kubiteilla.

Kvanttivirheenkorjauksen kynnys

Tämä kynnys on ollut kvanttialan tutkijoiden pitkään tavoittelema päämäärä. Tämä on piste, jossa virherate on niin alhainen, että mitä enemmän kubitteja lisäät, sitä vähemmän virhettä saat. Tämä oli pitkään teoreettista, mutta saavutettiin ensimmäistä kertaa Willowin avulla.

Testasimme yhä suurempia fyysisten kubittien matriiseja, laajentaen 3×3 koodattujen kubittien ruudukosta 5×5:een ja sitten 7×7:een — ja jokaisella kerralla, hyödyntäen uusimpia edistysaskeleita kvanttivirheenkorjauksessa, pystyimme leikkaamaan virheratin puoleen.
Google Quantum Computing Department

Lähde: Google

Periaatteessa, sen sijaan että virheet kasaantuisivat ja johtaisivat romahdukseen, ne ovat nyt niin harvassa, että ne voidaan korjata lisälaskentateholla, mikä lisää koko järjestelmän luotettavuutta.

Keskeinen tekijä Googlen läpimurron saavuttamisessa oli radikaali parannus tietyn kubitin suorituskyvyssä, jota kutsutaan “kubitin koherenssiaikaksi”. Tämä on aika, jolloin kubitti pystyy ylläpitämään koherenssitilaansa, mikä on edellytys kvanttialaskennalle.

Willow saavutti 100 mikrosekunnin koherenssivaiheen, kun 2019 Sycamore oli vain 20 mikrosekuntia.

Tämä on tärkeä datapiste, sillä koherenssivaiheen parannus, joka johtaa suoraan eksponentiaalisesti luotettavampiin kvanttitietokoneisiin, voitaisiin nähdä nykyisenä kvanttiversiona Moore’n laista, joka on ohjannut jatkuvaa parannusta “tavallisissa” tietokoneissa.

Koska tämä on ensimmäinen järjestelmä tämän kynnyksen alapuolella, se on tähän mennessä vakuuttavin prototyyppi skaalautuvasta loogisesta kubitista. Se on vahva merkki siitä, että hyödyllisiä, erittäin suuria kvanttitietokoneita voidaan todellakin rakentaa. Willow tuo meidät lähemmäs käytännön, kaupallisesti merkityksellisten algoritmien suorittamista, joita ei voida toistaa perinteisillä tietokoneilla.
Google Quantum Computing Department

Koko tämän mahdollisti Googlen pitkäaikainen investointi sen suprajohtavien kvanttisirujen valmistuslaitokseen.

Fyysisestä loogiseen kubittiin

Jokaisessa hyödyllisessä laskennassa kvanttilaskenta tarvitsee loogisia kubitteja, eli fyysisen sirun tuottamaa varsinaista laskentayksikköä.

Willowin virheratin perusteella jokaisen loogisen kubitin odotetaan koostuvan noin 1 000 fyysisestä kubitista. Virheenkorjauksen lisäparannukset voisivat jopa vähentää tämän määrän 200 fyysiseen kubittiin.

Tällä hetkellä Willowin kapasiteetti on 105 kubittia.

Seuraavat askeleet

Tämän läpimurron myötä vakaiden, luotettavien ja skaalautuvien loogisten kubittien rakentamisen näkymä on nyt ulottuvilla. Erityisesti, kun fyysisten kubittien lisääminen vähentää virherataa eksponentiaalisesti sen sijaan, että se kasvaisi eksponentiaalisesti.

Luultavasti seuraava askel on rakentaa Willowin seuraaja, jossa on vielä enemmän kubitteja, samalla parantaen virheenkorjausteknologiaa. Yhdessä tämä voisi mahdollistaa, että jokainen Googlen seuraava kvanttisiru riittää täyden loogisen kubitin luomiseen.

Tämä jättää kuitenkin vielä toisen haasteen: loogisten kubittien verkottaminen, jotta ne voivat jakaa ja vaihtaa kvanttitaloja.

Vasta silloin voimme puhua todellisesta kvanttitietokoneesta, jota voidaan käyttää säännöllisesti ja, mikä tärkeämpää, skaalata halutessa.

Olemme aiemmin käsitelleet muutamia teknologioita ja rinnakkaisia läpimurtoja, jotka voisivat parantaa kvanttilaskennan suorituskykyä ja arkkitehtuuria kubittien parantamisen lisäksi, esimerkiksi:

• Nanomekaaniset resonanssit, jotka mittaavat kvanttitaloa paremmin ilman, että kubitit epävakautuvat.
• Suprajohtava epälineaarinen epäsymmetrinen induktiivinen elementti (SNAIL) resonanssi, jonka avulla voidaan mennä kubittien 0 ja 1 -tilojen superposition yli ja kehittää jatkuvan muuttujan (CV) kvanttilaskentaa.
• Paremmat suprajohtavat materiaalit, jotka parantavat kvanttilaskentajärjestelmien vakautta.

Kuitenkin Googlen Quantum AI -laboratorion johtaja Hartmut Neven muistuttaa, että tämä ei tapahdu huomenna:

“Siru, joka pystyy suorittamaan kaupallisia sovelluksia, ei ilmesty ennen vuosikymmenen loppua. Aluksi nämä sovellukset olisivat järjestelmien simulointia, joissa kvanttivaikutukset ovat merkittäviä.
Esimerkiksi se on olennaista ydinfuusioreaktoreiden suunnittelussa, lääkkeiden ja farmaseuttisen kehityksen toiminnan ymmärtämisessä, parempien auton akkujen kehittämisessä ja monessa muussa vastaavassa tehtävässä.”

Sovellukset

Kvanttilaskennan potentiaali on valtava ja se voisi mullistaa lähes kaikki tieteelliset alat. Muutamia sovelluksia, jotka erottuvat erityisen vaikuttavina, ovat:

• Biokemiallinen mallintaminen: proteiinin 3D-muodon määrittämisestä geeniekspressioon, monimutkaisten biologisten molekyylien laskemiseen atomitasolla – kaikki voivat mullistaa bioteknologian tutkimuksen.
• Ilmastomallinnus: Ilmastomallit ovat poikkeuksellisen monimutkaisia ja venyttävät nykyisten supertietokoneiden kykyjen rajoja. Parempi ilmaston ymmärtäminen, tarkemmalla laskentaskaalalla mallissa sekä maantieteellisesti että ajallisesti, voisi auttaa ilmastonmuutoksen riskien ymmärtämisessä.
• Puolijohteet: Kvanttitietokoneita voitaisiin käyttää tekemään tavallisista tietokonesiruista paljon tehokkaampia. Kun “tavalliset” sirut saavuttavat jo nanometrin mittakaavan, kvanttifysiikka tulee yhä ongelmallisemmaksi, ja kvanttitietokoneita saatetaan tarvita niiden ratkaisemiseen.
• Materiaalitiede: Kvanttifysiikan paremman ymmärtämisen ja materiaalien reaktioiden tarkastelu yksittäisiin atomeihin asti voi avata uusia suunnitelmia materiaaleille, joita käytetään ilmailussa, akkuissa, 3D-tulostuksessa, valmistuksessa jne.
• Kryptografia: Kvanttitietokoneet voisivat mahdollisesti tehdä kaikki nykyiset kryptografiamenetelmät vanhentuneiksi. Tämä on vakava huolenaihe sotilas-, rahoitus- ja IT-järjestelmille. Samalla se voisi tehdä kryptografiasta entistä turvallisempaa.

Riskit

Koska kvanttilaskenta on niin voimakas, sen väärinkäytön riski on myös merkittävä. Suurin riski liittyy kryptografiaan.

Googlelta Willowin julkistamisen jälkeen useat kommentaattorit ovat pohtineet, kuinka mahdollisuus murtaa kaikki olemassa oleva kryptografia olisi tuhoisaa kryptovaluutoille, kuten Bitcoinille.

Ja teoriassa tämä pitää paikkansa. Kuitenkin se on melko lyhytnäköinen kommentti, joka on enemmän reaktio Bitcoinin viimeaikaisesta noususta kuin kokonaisuuden näkeminen. Tietokoneiden ja digitaalisten järjestelmien kryptografian murtaminen heikentäisi yhtä lailla koko pankki- ja rahoitusjärjestelmän turvallisuutta ja luotettavuutta, ei pelkästään kryptovaluuttoja.

Se olisi myös tuhoisaa globaalille geopoliittiselle vakaudelle ja sotilaalliselle turvallisuudelle, sillä kaikki viestinnästä ydinlaukaisukoodiin perustuu turvalliseen salaukseen. Täysin rikottu salaus voisi antaa ulkomaisille voimille tai pahantahtoisille toimijoille mahdollisuuden heittää tällainen turvallisuusjärjestelmä täydelliseen kaaokseen.

Tämä ei tarkoita, että ratkaisuja ei olisi. Esimerkiksi Apple ilmoitti helmikuussa 2024, että iMessage-keskusteluita suojaava salaus tehdään “kvanttiturvalliseksi”, jotta voimakkaat tulevat kvanttitietokoneet eivät pystyisi lukemaan niitä. Voimme olettaa, että jos Apple siirtyy kvanttiturvalliseen salaukseen, myös suurimmat sotilasvoimat ja rahoituslaitokset voivat tehdä samoin.

Yhdistettynä useiden vuosien aikatauluun, jonka jälkeen jopa Googlen kaltaisen johtajan on odotettavissa kaupallinen kvanttitietokone, olemme kaukana katastrofaalisesta, välittömästä riskistä.

Kvanttilaskennan yritys

Alphabet Inc.

Kuten näit, Google on erittäin aktiivinen kvanttilaskennassa, enimmäkseen Google Quantum AI -laboratorion ja Quantum AI -keskuksen kautta Santa Barbarassa.

Googlen kvanttitietokone teki historiaa vuonna 2019, kun Google väitti saavuttaneensa “kvanttiylivallan” Sycamore-koneellaan, suorittaen laskelman 200 sekunnissa, mikä olisi viedyt perinteiselle supertietokoneelle 10 000 vuotta.

Tämä on tietysti nyt Willowin suorituskyvyn varjossa.

Mutta ehkä Googlen suurin panos on ohjelmistossa, jossa sillä on vaikuttava tulospohja, itse asiassa parempi kuin laitteistossa (haku, G Suite, Android jne.).

Jo Googlen Quantum AI tarjoaa ohjelmistokokonaisuuden, jonka tarkoituksena on auttaa tutkijoita kvantti‑algoritmien kehittämisessä.

Se myös avoimesti kannustaa “tutkijoita, insinöörejä ja kehittäjiä liittymään mukaamme tälle matkalle tutustumalla meidän avoin lähdekoodin ohjelmistoon ja koulutusmateriaaleihin, mukaan lukien meidän uusi kurssi Courserassa, jossa kehittäjät voivat oppia kvanttivirheenkorjauksen perusteet ja auttaa meitä luomaan algoritmeja, jotka voivat ratkaista tulevaisuuden ongelmia.“

Kiitos tähän avoimeen lähestymistapaan ja nyt myös laitteistossa johtavaan asemaan, sekä sen pilviratkaisuihin, Google saattaa todennäköisesti olla yksi yrityksistä, jotka asettavat kvanttilaskennan ohjelmistojen ja kvanttiohjelmoinnin standardit, antaen etuoikeutetun paikan ohjata, mihin ala kehittyy tulevaisuudessa.

Ja samalla AI-ratkaisut, mukaan lukien Waymon itseohjautuva auto, saattavat tulla Alphabetin uudeksi tulonlähteeksi, joka pitää edelleen valtavaa hallitsevaa asemaa hakukone- ja mainostamisteollisuudessa.