Milestone sa Quantum Chip Nagpapasigla sa Hinaharap ng Computing

Isang Bagong Milestone sa Quantum Computing

Quantum computing, kasama ang AI, ay isang bagong horizon para sa industriya ng teknolohiya. Ito ay dahil, kabaligtaran ng iba pang non-silicon na teknolohiyangpangkompyuter, tulad ng graphene, photonics, o kahit mga biological organoids, ang quantum computing ay nagsasagawa ng mga kalkulasyon sa isang radikal na bagong paraan.

Ginagawa ito sa pamamagitan ng paggamit ng mga quantum effect, kung saan ang kalkulasyon ay hindi ginagawa gamit ang 0 at 1 (binary bits), kundi mga qubit, kung saan ang datos ng particle ay sabay na 0 AT 1, o 1, o 0. Ang mga iba’t ibang pamamaraang ito ay nangangahulugang para sa ilang matematikal na problema, ang mga quantum computer ay maaaring lubos na mas epektibo kaysa sa karaniwang mga computer.

At ito mismo ang ipinakita ng Google kamakailan: inilunsad nila ang isang bagong chip na tumatagal ng limang minuto upang lutasin ang isang problema na sa kasalukuyan ay aabutin ng pinakamabilis na supercomputer sa mundo ng sampung septillion – o 10,000,000,000,000,000,000,000,000 taon – upang matapos.

Bukod sa kahanga-hangang pagganap na ito, maaaring ito rin ang unang quantum computer chip na may makatwirang pagkakataon na maging scalable at maaasahan para sa kapaki-pakinabang na mga kalkulasyon. Ang mga resulta ay inilathala sa nangungunang siyentipikong publikasyon na Nature, sa pamagat na “Quantum error correction below the surface code threshold”.

Kilalain si Willow

Ang Google quantum computing chip na tinutukoy ay tinatawag na Willow.

Pinagmulan: Google

Ito ang huling bersyon ng isang serye ng patuloy na mas makapangyarihang mga quantum chip na binuo ng Google, na tinatawag na Foxtail, Bristlecone, at Sycamore.

Pinagmulan: Google

Upang subukan ang pagganap ng Willow, ginamit ang random circuit sampling (RCS) benchmark upang ihambing ito sa isang karaniwang supercomputer. Ang teknikang ito ay nilikha upang sukatin ang pagganap ng Sycamore, na tumatasa sa dami ng mga qubit na kinakailangan upang makamit ang katumbas na pagganap gamit ang isang klasikong computer.

Pinagmulan: Google

Ang Scalability ay Sa Wakasan Na

Isa sa mga pangunahing limitasyon ng quantum computing hanggang ngayon ay ang napakabrittle ng mga qubit. Ito ay dahil ang mga quantum state ay kadalasang napaka-maikli ang buhay, at ang mga interference mula sa kapaligiran ay nagdudulot ng destabilization sa mga kondisyon na kinakailangan para sa quantum calculation.

Kaya naman lahat ng kasalukuyang quantum computer ay gumagamit ng ultra-cold na kondisyon at nangangailangan ng superconducting na materyales. Ito ay nagiging hindi lamang mas kumplikado at magastos kundi napakahirap gamitin nang maaasahan.

“Upang makakuha ng quantum computer na magsagawa ng kapaki-pakinabang na kalkulasyon, kailangan mo ng quantum information, at kailangan mo itong protektahan mula sa kapaligiran — at mula sa ating sarili, habang ginagawa natin ang mga manipulasyon dito.”

Julian Kelly – Pisiko sa Google na namumuno sa quantum‑hardware division

Upang dagdagan pa ang problema, sa ngayon, habang dumarami ang mga qubit sa isang sistema, tumataas ang error, kung saan ang anumang instability ay nagdudulot ng domino effect. Kaya’t habang dumarami ang mga qubit, tumataas din ang error, hanggang sa puntong ang pagdagdag ng higit pang computing power ay talagang nagpapababa ng kabuuang pagganap.

At marahil higit pa sa kakayahan nitong mag-compute, dito nagiging tunay na breakthrough ang Willow.

Maaari mo ring direktang makita ang higit pang detalye tungkol sa eksaktong pagganap ng Willow sa nakalaang video presentation ng Google:
https://www.youtube.com/watch?v=W7ppd_RY-UE&t=1s

Pagwawasto ng Error

Ang pangunahing hakbang para sa Google ay ang pagtrabaho sa tinatawag na error correction. Ang ideya ay sa isang quantum computer, ang ilang qubit ay magiging mas maaasahan kaysa sa iba.

Kaya, ang mga outlier o hindi gaanong gumaganang qubit ay maaaring i-reconfigure upang mag-perform tulad ng natitirang bahagi ng chip.

Pinagmulan: Google

Maaaring makamit ang karagdagang pagpapabuti sa pamamagitan ng pagpapahusay ng calibration method upang mabawasan ang mga error sa pamamagitan ng software improvement sa lahat ng qubit.

Threshold ng Quantum Error Correction

Ang threshold na ito ay isang matagal nang hinahangad na layunin ng mga siyentipiko sa quantum computing. Dito, ang rate ng error ay sapat na mababa na kapag nagdagdag ka ng mas maraming qubit, mas kaunti ang error na makukuha. Ito ay matagal nang teoriyang naipakita ngunit unang naabot sa Willow.

Sinubukan namin ang patuloy na lumalaking mga array ng physical qubits, mula sa grid na 3×3 na encoded qubits, hanggang sa grid na 5×5, hanggang sa grid na 7×7 — at sa bawat pagkakataon, gamit ang aming pinakabagong pag-unlad sa quantum error correction, nagawang bawasan namin ang error rate ng kalahati.

Google Quantum Computing Department

Pinagmulan: Google

Sa esensya, sa halip na mag-compound ang mga error hanggang sa mag-collapse, ang mga error ay ngayon sapat na kakaunti upang maayos gamit ang karagdagang computing power, na nagpapataas ng pagiging maaasahan ng kabuuan.

Isang mahalagang salik para sa Google upang makamit ang breakthrough na ito ay ang radikal na pagpapabuti sa isang tiyak na pagganap ng qubit na tinatawag na “qubit coherence time”. Ito ay ang oras kung kailan ang qubit ay maaaring mapanatili ang kanyang coherence state, isang kinakailangang kondisyon para sa pagsasagawa ng quantum calculation.

Naabot ng Willow ang 100 micro-second na coherence state, tumaas mula sa 20 micro-second lamang para sa Sycamore noong 2019.

Ito ay isang mahalagang datos, dahil ang pagpapabuti sa coherence state, na nagdadala nang direkta sa exponentially na mas maaasahang mga quantum computer, ay maaaring ituring na kasalukuyang quantum bersyon ng batas ni Moore, na nagpasigla sa patuloy na pag-unlad ng mga “normal” na computer.

Bilang unang sistema na nasa ibaba ng threshold na ito, ito ang pinaka-kumbinsing prototype para sa isang scalable logical qubit na nabuo hanggang ngayon. Ito ay isang malakas na senyales na ang kapaki-pakinabang, napakalaking mga quantum computer ay maaaring talagang mabuo. Ang Willow ay nagdadala sa atin nang mas malapit sa pagpapatakbo ng praktikal, komersyal na mga algorithm na hindi maaaring ulitin sa mga tradisyunal na computer.

Google Quantum Computing Department

Lahat ng ito ay naging posible dahil sa pangmatagalang pamumuhunan ng Google sa pasilidad ng paggawa ng superconducting quantum chips.

Mula sa Pisikal Patungo sa Logical Qubit

Para sa anumang kapaki-pakinabang na kalkulasyon, kailangan ng quantum computing na gumamit ng logical qubits o ang aktwal na yunit ng kalkulasyon na ginawa ng pisikal na chip.

Sa rate ng error ng Willow, inaasahang bawat logical qubit ay binubuo ng humigit-kumulang 1,000 pisikal na qubit. Ang karagdagang pagpapabuti sa error correction ay maaaring magpababa nito sa 200 pisikal na qubit.

Sa kasalukuyan, ang Willow ay may kapasidad na 105 qubit.

Mga Susunod na Hakbang

Sa breakthrough na ito, ang perspektibo ng pagbuo ng isang matatag, maaasahan, at scalable na logical qubit ay ngayon nasa abot na. Lalo na dahil ang pagdagdag ng pisikal na qubit ngayon ay nagpapababa ng error rate nang exponential, sa halip na pataasin ito nang exponential.

Malamang, ang susunod na hakbang ay ang pagbuo ng kahalili ng Willow na may mas marami pang qubit, habang pinapabuti rin ang teknolohiya ng error correction. Sama-sama, ito ay maaaring magbigay-daan sa bawat susunod na disenyo ng quantum chip ng Google na maging sapat upang lumikha ng isang buong logical qubit.

Ito ay mag-iiwan pa rin ng isa pang hamon, na kung saan ay ang pag-network ng mga logical qubit upang maaari silang magbahagi at magpalitan ng quantum states.

Sa ganoong pagkakataon lamang natin masasabi na mayroon tayong tunay na quantum computer na maaaring regular na magamit at, higit sa lahat, ma-scale up ayon sa kagustuhan.

Dati naming tinalakay ang ilang teknolohiya at sabay na mga breakthrough na maaaring magpataas ng pagganap at arkitektura ng quantum computing lampas sa pagpapabuti ng mga qubit, halimbawa:

• Nanomechanical resonators, upang mas mahusay na masukat ang quantum state nang hindi dinad destabilize ang mga qubit.
• Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) resonator, upang lumampas sa superposisyon ng 0 at 1 ng mga qubit, at mag-develop ng Continuous-Variable (CV) quantum computing.
• Mas mahusay na superconducting materials, upang mapabuti ang katatagan ng mga quantum computing system.

Sa kabuuan, ang breakthrough ng Google ay tunay na makabago at isang radikal na ebolusyon ng mga prospect ng quantum computing, na may unang realistang target para sa isang scalable na komersyal na computer.

Gayunpaman, kahit ang pinuno ng Quantum AI lab ng kumpanya, si Hartmut Neven, ay nagpapaalala na ito ay hindi mangyayari bukas:

“Ang isang chip na kayang magsagawa ng mga komersyal na aplikasyon ay hindi lalabas bago matapos ang dekada. Sa simula, ang mga aplikasyon na ito ay magiging simulation ng mga sistema kung saan mahalaga ang mga quantum effect.

Halimbawa, ito ay may kaugnayan sa disenyo ng mga nuclear fusion reactor upang maunawaan ang pag-andar ng mga gamot at pag-develop ng pharmaceutical, magiging mahalaga ito para sa pag-develop ng mas magagandang baterya ng sasakyan at iba pang mahabang listahan ng mga ganitong gawain.”

Mga Aplikasyon

Ang potensyal ng quantum computing ay napakalaki at maaaring mag-rebolusyon sa halos lahat ng larangan ng agham. Ilang aplikasyon ang tumatayo bilang lalo pang makabuluhan:

• Biochemical modeling: mula sa pagtukoy ng 3D na hugis ng isang protina hanggang sa gene expression, ang kalkulasyon ng komplikadong mga biyolohikal na molekula hanggang sa mga atom ay maaaring mag-rebolusyon sa pananaliksik sa biotechnology.
• Climate modeling: Ang mga climate model ay labis na kumplikado at humahamon sa limitasyon ng kasalukuyang supercomputer. Ang mas mahusay na pag-unawa sa klima, na may mas pinong sukat ng kalkulasyon sa modelo, kapwa sa heograpiya at oras, ay maaaring makatulong sa pag-unawa sa mga panganib ng pagbabago ng klima.
• Semiconductors: Maaaring gamitin ang mga quantum computer upang gawing mas makapangyarihan ang mga karaniwang computer chip. Sa pag-abot ng mga “normal” na chip sa nanometer scale, ang mga quantum phenomenon ay nagiging mas problematiko, at maaaring kailanganin ang mga quantum computer upang lutasin ang mga ito.
• Material Science: Ang mas mahusay na pag-unawa sa quantum physics at ang reaksyon ng mga materyales hanggang sa indibidwal na atom ay maaaring magbukas ng mga bagong disenyo para sa mga materyales na ginagamit sa aerospace, baterya, 3D printing, pagmamanupaktura, atbp.
• Cryptography: Maaaring gawing lipas ang lahat ng kasalukuyang pamamaraan ng cryptography ng mga quantum computer. Ito ay isang seryosong alalahanin para sa militar, pinansyal at IT na mga sistema. Ngunit sa parehong oras, maaari rin nitong gawing mas ligtas ang cryptography.

Mga Panganib

Dahil napakalakas ng quantum computing, mayroong malubhang panganib din sa maling paggamit nito. Ang pinakamalaking panganib ay ang mga panganib kaugnay ng cryptography.

Mula nang i-anunsyo ng Google ang Willow, ilang komentador ang nagtalakay kung paano magiging mapaminsala ang posibilidad ng pagbabasag sa lahat ng umiiral na cryptography para sa mga cryptocurrency tulad ng Bitcoin.

At sa teorya, ito ay totoo. Ngunit ito ay isang maikling pananaw, mas pinukaw ng reaksyon sa kamakailang bull run ng Bitcoin kaysa sa pangkalahatang larawan. Ang pagbabasag sa cryptography ng mga computer at digital system ay magreresulta rin sa pagbasag ng kaligtasan at pagiging maaasahan ng buong sistemang pinansyal at bangko, hindi lamang sa crypto coins.

Maging mapaminsala rin ito para sa pandaigdigang geopolitical stability at kaligtasan ng militar, dahil ang lahat mula sa komunikasyon hanggang sa nuclear launch codes ay nakasalalay sa ligtas na encryption. Ang ganap na nabasag na encryption ay maaaring magbigay-daan sa mga banyagang kapangyarihan o masamang aktor na sirain ang ganitong seguridad.

Hindi ibig sabihin nito na walang solusyon. Halimbawa, inanunsyo ng Apple (AAPL ) noong Pebrero 2024 na ang encryption na nagpoprotekta sa mga iMessage chat ay ginagawa nang “quantum proof” upang pigilan itong basahin ng malalakas na hinaharap na quantum computer. Maaari nating ipalagay na kung lilipat ang Apple sa quantum-proof encryption, magagawa rin ito ng pinakamalalaking puwersang militar at institusyong pinansyal.

Kasama ang ilang taong timeline para kahit na ang isang lider tulad ng Google ay magkaroon ng komersyal na quantum computer, tayo ay malayo pa sa isang mapaminsalang, agarang panganib.

Kumpanya ng Quantum Computing

Tulad ng iyong nakita, ang Google ay napakaaktibo sa quantum computing, karamihan sa pamamagitan ng Google Quantum AI lab at Quantum AI campus sa Santa Barbara.

Nagawa ng quantum computer ng Google ang kasaysayan noong 2019 nang i-claim ng Google na naabot nila ang “quantum supremacy” gamit ang kanilang Sycamore machine, na nagsagawa ng kalkulasyon sa 200 segundo na aabutin ng isang tradisyunal na supercomputer ng 10,000 taon.

Siyempre, ito ay napakalayo na kumpara sa pagganap ng Willow.

Ngunit marahil ang pinakamalaking ambag ng Google ay sa software, isang aktibidad kung saan mayroon itong kahanga-hangang track record, na mas magaling pa kaysa sa hardware (search, G Suite, Android, atbp.).

Sa kasalukuyan, ang Quantum AI ng Google ay nagbibigay ng isang suite ng software na dinisenyo upang tulungan ang mga siyentipiko sa pag-develop ng quantum algorithms.

Ito rin ay bukas na nagtataguyod para sa “mga mananaliksik, inhinyero, at developer na sumali sa amin sa paglalakbay na ito sa pamamagitan ng pagtingin sa aming open source software at mga mapagkukunan pang-edukasyon, kabilang ang aming bagong kurso sa Coursera, kung saan maaaring matutunan ng mga developer ang mga pangunahing kaalaman ng quantum error correction at tulungan kaming lumikha ng mga algorithm na makakalahad ng mga problema ng hinaharap.”

Salamat sa bukas na lapit na ito at ngayon ay nangunguna na rin sa hardware, pati na rin sa mga cloud solution nito, malamang na ang Google ay isa sa mga kumpanyang magtatakda ng mga pamantayan ng quantum computing software at quantum programming, na nagbibigay ng pribilehiyong posisyon upang gabayan kung saan magbabago ang larangan sa hinaharap.

Samantala, ang mga AI solution, kabilang ang self-driving car ng Waymo, ay maaaring maging bagong tagapaghatid ng kita para sa Alphabet (GOOG ), na patuloy na may napakalaking dominasyon sa industriya ng paghahanap at advertising.