Google hat einen neuen Quantencomputer-Chip namens Willow vorgestellt, der einen beispiellosen Meilenstein in der Quantenfehlerkorrektur darstellt.
Er erledigt außerdem eine komplexe Benchmark-Aufgabe in weniger als fünf Minuten, eine Berechnung, die der Frontier-Supercomputer erfordern würde etwa 10 Septillionen Jahre.
Der Frontier-Supercomputer von Hewlett Packard Enterprise (HPE), Auch bekannt als OLCF-5, ist der weltweit erste verifizierte Exascale-Supercomputer, der über eine Trillion Berechnungen pro Sekunde (1,1 Exaflops) durchführen kann ).
Dieser Erfolg baut auf den früheren Quantendemonstrationen des Unternehmens auf, darunter das Debüt des Google Sycamore-Chips im Jahr 2019. Willows Erfolg bringt die Branche näher an praktische Quantengeräte heran, die Berechnungen durchführen können, die mit klassischer Hardware nicht möglich sind.
Skalierung auf 105 Qubits
Der Willow-Chip, hergestellt in Googles Quantenanlage Santa Barbara, enthält fast 105 Qubits Verdoppelung der 53 Qubits der Sycamore 53-Qubit-CPU von Google.
Ein Qubit ist die grundlegende Informationseinheit im Quantencomputing , ähnlich einem normalen Computerbit, kann aber in mehreren Quantenzustände gleichzeitig, was komplexere Berechnungen ermöglicht.
Über das einfache Hinzufügen weiterer Qubits hinaus haben die Forscher hinter Willow bewiesen, dass Fehler nicht unkontrolliert mit der Skalierung zunehmen.
Stattdessen wurde Willow durch die Gruppierung physikalischer Qubits in logische Einheiten zuverlässiger wurde größer. „Mit anderen Worten, wir haben eine exponentielle Reduzierung der Fehlerrate erreicht“, sagte Dr. Hartmut Neven, Gründer und Leiter von Google Quantum AI.
„Diese historische Errungenschaft wird in der Fachwelt als „unterhalb des Schwellenwerts“ bezeichnet’– in der Lage zu sein, Fehler zu reduzieren und gleichzeitig die Anzahl der Qubits zu erhöhen 7×7 – Fehlerraten exponentiell reduziert. Dies bestätigt, dass, sobald die Qualität von Qubits eine bestimmte Grenze überschreitet, die Skalierung die Fehler nicht vergrößert, sondern vielmehr eindämmt.
Michael Newman, Forscher bei Google Quantum AI, verwies auf die Ursprünge dieser Idee: „ In den 90er Jahren wurde erstmals vorgeschlagen, dass, wenn Ihre Qubits gerade gut genug sind, sie eine Art magische Linie im Sand passieren, die als Quantenfehlerkorrekturschwelle bezeichnet wird …“ Jetzt wandelt Willow diese theoretische Schwelle in um eine experimentelle Tatsache.
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Random Circuit Sampling (RCS) ist der gewählte Test, um über die klassische Leistung hinausgehende Leistung zu verifizieren. Dabei handelt es sich um eine Quantenrechenaufgabe, bei der Stichproben aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Ergebnisse für zufällig generierte Quanten entnommen werden Schaltkreise.
RCS ist ein führender Kandidat für den Nachweis der Quantenüberlegenheit, da es so konzipiert ist, dass es für klassische Computer unerschwinglich schwierig zu simulieren ist, während es für Quantencomputer machbar ist, es zu implementieren.
Im Jahr 2019 , Sycamore hat einen RCS-Benchmark in etwas mehr als drei Minuten abgeschlossen, eine Aufgabe, für die früher geschätzt wurde, dass ein Top-Supercomputer Tausende von Jahren dauern würde.
Jetzt treibt Willow diesen Benchmark erheblich voran. Ein RCS-Test, den Willow in weniger als fünf Minuten durchführt, würde Frontier 10 Septillionen (10^25) Jahre lang herausfordern.
„Wenn Sie bei zufälliger Kreisstichprobe nicht gewinnen können, können Sie bei keinem anderen Algorithmus gewinnen.“ entweder. Die nächste Aufgabe besteht darin, diese enorme Rechenleistung für eine Aufgabe zu trainieren, die dem Mainstream am Herzen liegt“, sagte Dr. Neven.
Längere Kohärenz und praktisches Potenzial
Willows Qubits behalten ihre Kohärenz bei – sie behalten ihre Quantenzustände bei – etwa fünfmal länger als frühere Geräte. Diese verbesserten Kohärenzzeiten verlängern sich Das Fenster für komplexe Berechnungen öffnen und die Stabilität des Chips weiter verbessern.
Während RCS beweist, dass Quantenmaschinen klassische Grenzen überschreiten können, besteht der nächste Schritt darin, ihre Leistungsfähigkeit auf Probleme anzuwenden, die für Industrie und Forschung von Bedeutung sind Zu den Anwendungen kann die Simulation komplexer Moleküle für die Arzneimittelforschung oder die Modellierung von Materialien auf atomarer Ebene gehören.
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Auf dem Weg zu nützlicher Quantenberechnung
Indem Willow enthüllt, dass Quantensysteme über klassische Aufgaben hinausgehen können, ohne dass die Fehlerraten außer Kontrolle geraten, schafft er die Voraussetzungen für neue praktische Anwendungen. Die Roadmap von Google deutet darauf hin, dass Quantencomputing im Laufe der Zeit genauso unverzichtbar werden könnte wie die heutigen klassischen Supercomputer.
Willows Leistung – das Erreichen einer Fehlerkorrektur unterhalb des Schwellenwerts und die weitaus bessere Leistung als klassische Hardware – deutet darauf hin, dass die seit langem erwartete Ära der Nützlichkeit eingetreten ist Die Quantenberechnung könnte endlich näherkommen.
