December 9-én (2024.) Hartmut Neven (alapító és vezető a Google Quantum AI szervezetében) bejelentette a Willow-t, a Google legújabb kvantumchipjét. A Willow számos mérőszáma tekintetében a legmodernebb teljesítményt nyújtja, ami két jelentős eredményt hozott magával:

• Az első az, hogy Willow exponenciálisan csökkentheti a hibákat, ahogy egyre több qubitet használunk. Ez megtöri a kvantumhibajavítás egyik legfontosabb kihívását, amelyet a tudományterület már majdnem 30 éve követ.
• Másodszor, a Willow kevesebb mint öt perc alatt végzett el egy standard összehasonlító számítást, amelyhez a mai leggyorsabb szuperszámítógépek egyikének 10 szeptillió (azaz 1025) évre lenne szüksége. Ez a szám jóval meghaladja az Univerzum korát.

,,A Willow chip egy nagy lépés egy több mint 10 évvel ezelőtt megkezdett úton. Amikor 2012-ben megalapítottam a Google Quantum AI-t, az volt a célom, hogy egy olyan hasznos, nagyteljesítményű kvantumszámítógépet építsek, amely a kvantummechanikát - a természet „operációs rendszerét” a ma ismert mértékben - a társadalom javára fordítja. Mindezt pedig a tudományos felfedezések előmozdítása, hasznos alkalmazások kifejlesztése és a társadalom legnagyobb kihívásainak megoldása révén. A Google Research részeként csapatunk hosszú távú útitervet készített, és a Willow jelentősen előrehalad ezen az úton a kereskedelmi szempontból releváns alkalmazások felé" - Hartmut Neven

Exponenciális kvantumos hibajavítás - küszöbérték alatt!

A hibák jelentik az egyik legnagyobb kihívást a kvantumszámításban, mivel a kvantumszámítógépek számítási egységei, a qubit-ek hajlamosak gyorsan információt cserélni a környezetükkel. Ez pedig megnehezíti a számítás befejezéséhez szükséges információk védelmét. Jellemzően minél több qubitet használunk, annál több hiba fordul elő, és a rendszer klasszikussá válik.

A Google a Nature-ben publikálta azokat az eredményeket, amelyek azt mutatják, hogy minél több qubit-et használnak a Willow-ban, annál inkább csökkennek a hibák, és annál kvantumosabbá válik a rendszer. A fizikai qubit-ek egyre nagyobb tömbjeit tesztelték, a 3x3 kódolt qubit-ből álló rácsról az 5x5-ös, majd a 7x7-es rácsra. És a kvantum-hibajavítás terén elért legújabb eredményeiket felhasználva minden alkalommal sikerült a felére csökkenteni a hibaarányt. Más szóval, exponenciális csökkenést értek el a hibaarányban. Ezt a történelmi teljesítményt a szakmában „küszöbérték alatti” teljesítménynek nevezik. A qubit-ek számának növelése mellett is képesek a hibák számát csökkenteni. A hibajavításban elért valódi előrelépéshez a küszöbérték alatti értéket kell bizonyítani. Ez a kvantum-hibajavítás Peter Shor 1995-ös bemutatása óta kiemelkedő kihívás.

Az eredményhez más tudományos előzmények is kapcsolódnak. Például ez az egyik első meggyőző példa a valós idejű hibajavításra egy szupravezető kvantumrendszerben. Ez létfontosságú minden hasznos számításhoz, mert ha nem tudod elég gyorsan kijavítani a hibákat, akkor azok tönkreteszik a számításodat, mielőtt az elkészülne. És ez egy „nullszaldón túli” demonstráció, ahol a qubit-ek tömbjei hosszabb élettartamúak, mint az egyes fizikai qubitek. Ez pedig egyértelmű jele annak, hogy a hibajavítás összességében javítja a rendszert.

A küszöbérték alatti első rendszerként ez a skálázható logikai qubit eddigi legmeggyőzőbb prototípusa. Ez egy erős jele annak, hogy valóban lehet hasznos, nagyon nagy kvantumszámítógépeket építeni. Willow közelebb visz minket ahhoz, hogy olyan gyakorlati, kereskedelmi szempontból releváns algoritmusokat futtassunk, amelyeket hagyományos számítógépeken nem lehet megismételni.

10 szeptillió év napjaink egyik leggyorsabb szuperszámítógépén

A Willow teljesítményének mérésére a véletlenszerű áramköri mintavételezés (RCS) benchmarkját használták. Az RCS, amelyet ma már széles körben használnak szabványként a területen, a klasszikusan legnehezebb benchmark, amelyet ma kvantumszámítógépen el lehet végezni. Ezt tekinthetjük a kvantum-számítástechnika belépési pontjának - azt ellenőrzi, hogy a kvantumszámítógép olyasmit csinál-e, amit klasszikus számítógéppel nem lehetne megcsinálni. Bármely kvantumszámítógépet építő csapatnak először azt kellene ellenőriznie, hogy az RCS-ben meg tudja-e verni a klasszikus számítógépeket. Ellenkező esetben komoly okunk van kételkedni abban, hogy képes lesz-e bonyolultabb kvantumfeladatok megoldására. Következetesen ezt a benchmark-ot használtuk a chipek egyik generációjától a másikig történő fejlődés értékelésére. A Sycamore eredményeiről 2019 októberében, majd nemrégiben, 2024 októberében is beszámoltak.

A Willow teljesítménye ezen a benchmarkon megdöbbentő. Kevesebb mint öt perc alatt végzett el egy olyan számítást, amelyhez a mai leggyorsabb szuperszámítógépek egyikének 10 a 25-diken vagyis 10 szeptimilliárd évébe kerülne. Ha ki akarod írni, ez 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 év. Ez az észbontó szám meghaladja a fizikában ismert időskálákat, és jóval meghaladja az univerzum korát. Ez alátámasztja azt az elképzelést, hogy a kvantumszámítás sok párhuzamos univerzumban történik, ami összhangban van azzal az elképzeléssel, hogy egy multiverzumban élünk, amit először David Deutsch jósolt meg.

A Willow esetében ezek a legutóbbi eredmények, ahogy az alábbi ábrán látható, az eddigi legjobbak, de tovább fog fejlődni.

A Willow a világ egyik legerősebb klasszikus szuperszámítógépét, a Frontier-t felülmúló teljesítményéről szóló értékelés konzervatív feltételezéseken alapult. Például feltételeztük, hogy teljes hozzáférést biztosítunk a másodlagos tárolókhoz, azaz a merevlemezekhez, mindenféle sávszélesség-többletköltség nélkül. Ami a Frontier esetében nagyvonalú és irreális engedmény. Természetesen, ahogyan az első klasszikuson túli számítás 2019-es bejelentése után történt, arra számítanak, hogy a klasszikus számítógépek folyamatosan javulni fognak ezen a benchmark-on. De a gyorsan növekvő különbség azt mutatja, hogy a kvantumprocesszorok kétszeres exponenciális ütemben hámozódnak el. És a skálázás során a klasszikus számítógépeket továbbra is jelentősen felülmúlják majd.

Egy videó Sergio Boixo vezető kutatóval, Hartmut Neven alapítóval és vezetővel, valamint John Preskill neves fizikussal, aki a véletlenszerű áramkör-mintavételezésről beszél, amely a kvantumszámítógépek klasszikus teljesítményét meghaladó teljesítményét mutatja be.

Legkorszerűbb teljesítmény

A Google Willow-t a Santa Barbarában található új, legmodernebb gyártóüzemünkben gyártották. Ez egyike a világon csak néhány olyan létesítménynek, amelyet az alapoktól kezdve erre a célra építettek. A kvantumchipek tervezése és gyártása során a rendszertechnika kulcsfontosságú. A chip minden komponensét, például az egy- és kétkvantumos kapukat, a kvantumos nullázást és a kiolvasást egyszerre kell jól megtervezni és integrálni. Ha bármelyik komponens lemarad, vagy ha két komponens nem működik jól együtt, az rontja a rendszer teljesítményét. Ezért a rendszer teljesítményének maximalizálása a folyamatok minden aspektusát meghatározza, a chip architektúrájától és gyártásától kezdve a kapuk fejlesztéséig és kalibrálásáig. Az ismertetett eredmények a kvantum-számítógépes rendszereket holisztikusan értékelik, nem csak egy-egy tényezőt.

What’s next with Willow and beyond

A következő kihívás a terület számára az, hogy a mai kvantumchipeken bemutassa az első „hasznos, klasszikuson túli” számításokat, amelyek relevánsak egy valós alkalmazás szempontjából. A Google optimista, hogy a Willow-generációs chipek segítségével elérhetik ezt a célt. Eddig két különálló kísérlettípus volt. Egyrészt lefuttatták az RCS benchmarkot, amely a klasszikus számítógépek teljesítményét méri, de nincs ismert valós alkalmazása. Másrészt tudományosan érdekes szimulációkat végeztekk kvantumrendszerekről, amelyek új tudományos felfedezésekhez vezettek, de még mindig a klasszikus számítógépek hatókörén belül vannak. Céljuk, hogy egyszerre mindkettőt megvalósítsák. Olyan algoritmusok birodalmába lépjenek, amelyek a klasszikus számítógépek hatókörén kívül esnek, és amelyek a valós, kereskedelmi szempontból releváns problémákban hasznosak.

A Google felkéri ó a kutatókat, mérnököket és fejlesztőket, hogy csatlakozzanak hozzájuk ezen az úton, és nézzék meg nyílt forráskódú szoftverüket és oktatási forrásaikat, beleértve a Coursera-n indított új tanfolyamukat, ahol a fejlesztők elsajátíthatják a kvantum-hibajavítás alapjait, és segíthetnek olyan algoritmusok létrehozásában, amelyek megoldhatják a jövő problémáit.

Forrás: Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip