Google identifică „tranziție de fază” cu zgomot redus în procesorul său cuantic

În 2019, Google a făcut valuri susținând că a atins ceea ce s-a numit „supremația cuantică” – capacitatea unui computer cuantic de a efectua operațiuni care ar dura o perioadă de timp extrem de impracticabilă pentru a simula pe hardware-ul de calcul standard. Această afirmație s-a dovedit a fi controversată, în sensul că operațiunile au fost puțin mai mult decât un etalon care presupunea ca computerul cuantic să se comporte ca un computer cuantic; separat, idei îmbunătățite despre cum se realizează simularea pe un supercomputer a redus semnificativ timpul necesar.

Dar Google revine cu o nouă explorare a benchmark-ului, descrisă într-o lucrare publicată miercuri în Nature. Folosește reperul pentru a identifica ceea ce numește tranziție de fază în performanța procesorului său cuantic și îl folosește pentru a identifica condițiile în care procesorul poate funcționa cu zgomot redus. Profitând de acest lucru, ei arată din nou că, chiar și oferind hardware-ului clasic fiecare avantaj potențial, unui supercomputer i-ar lua o duzină de ani pentru a simula lucrurile.

Analiza comparativă a entropiei încrucișate

Benchmark-ul în cauză implică performanța a ceea ce se numesc circuite aleatoare cuanticecare implică efectuarea unui set de operații pe qubiți și lăsarea stării sistemului să evolueze în timp, astfel încât rezultatul depinde în mare măsură de natura stocastică a rezultatelor măsurătorilor în mecanica cuantică. Fiecare qubit va avea o probabilitate de a produce unul dintre cele două rezultate, dar dacă această probabilitate nu este una, nu există nicio modalitate de a ști care dintre rezultate veți obține de fapt. Ca rezultat, rezultatul operațiunilor va fi un șir de biți cu adevărat aleatori.

Dacă în operațiuni sunt implicați destui qubiți, atunci devine din ce în ce mai dificil să se simuleze performanța unui circuit aleator cuantic pe hardware clasic. Această dificultate este ceea ce Google a folosit inițial pentru a pretinde supremația cuantică.

Marea provocare cu rularea circuitelor aleatoare cuantice pe hardware-ul actual este inevitabilitatea erorilor. Și există o abordare specifică, numită benchmarking-entropie încrucișatăcare leagă performanța circuitelor aleatoare cuantice de fidelitatea globală a hardware-ului (adică capacitatea acestuia de a efectua operații fără erori).

Omul de știință principal al Google, Sergio Boixo, a comparat efectuarea de circuite aleatorii cuantice cu o cursă între încercarea de a construi circuitul și erorile care l-ar distruge. „În esență, aceasta este o competiție între corelațiile cuantice care se răspândesc pentru că te încurci, iar circuitele aleatoare se încurcă cât mai repede posibil”, a spus el lui Ars. „Folosim două porți de qubit care se încurcă cât mai repede posibil. Deci este o competiție între corelații sau întanglement care crește cât de repede doriți. Pe de altă parte, zgomotul face opusul. Zgomotul ucide corelațiile, omoară creșterea corelațiilor. . Deci acestea sunt cele două tendințe.”

Lucrarea se concentrează pe utilizarea benchmark-ului de entropie încrucișată pentru a explora erorile care apar pe ultima generație de cip Sycamore a companiei și pentru a-l utiliza pentru a identifica punctul de tranziție între situațiile în care erorile domină și ceea ce lucrarea numește „regim cu zgomot scăzut. ,” unde probabilitatea erorilor este redusă la minimum – unde încurcarea câștigă cursa. Cercetătorii au comparat acest lucru cu o tranziție de fază între două state.

Performanță redusă la zgomot

Cercetătorii au folosit o serie de metode pentru a identifica locația acestei tranziții de fază, inclusiv estimări numerice ale comportamentului sistemului și experimente folosind procesorul Sycamore. Boixo a explicat că punctul de tranziție este legat de erorile pe ciclu, fiecare ciclu implicând efectuarea unei operații pe toți qubiții implicați. Deci, numărul total de qubiți utilizați influențează locația tranziției, deoarece mai mulți qubiți înseamnă mai multe operațiuni de efectuat. Dar la fel și rata de eroare generală a procesorului.

Dacă doriți să operați în regim de zgomot scăzut, atunci trebuie să limitați numărul de qubiți implicați (ceea ce are ca efect secundar de a face lucrurile mai ușor de simulat pe hardware clasic). Singura modalitate de a adăuga mai mulți qubiți este reducerea ratei de eroare. În timp ce procesorul Sycamore însuși avea o rată de eroare minimă bine înțeleasă, Google ar putea crește artificial acea rată de eroare și apoi o scădea treptat pentru a explora comportamentul lui Sycamore la punctul de tranziție.

Regimul de zgomot redus nu a fost lipsit de erori; fiecare operațiune are încă potențialul de eroare, iar qubiții își vor pierde uneori starea chiar și atunci când stau fără a face nimic. Dar această rată de eroare ar putea fi estimată folosind benchmark-ul cross-entropiei pentru a explora fidelitatea generală a sistemului. Acesta nu a fost cazul dincolo de punctul de tranziție, unde erorile au apărut suficient de repede încât să întrerupă procesul de încurcare.

Când se întâmplă acest lucru, rezultatul sunt adesea două sisteme separate, mai mici, încurcate, fiecare dintre ele fiind supus ratelor de eroare de bază ale cipului Sycamore. Cercetătorii au simulat acest lucru prin crearea a două grupuri distincte de qubiți încâlciți care ar putea fi încâlciți unul cu celălalt printr-o singură operațiune, permițându-le să pornească și să oprească încâlcirea după bunul plac. Ei au arătat că acest comportament a permis unui computer clasic să falsifice comportamentul general, împărțind calculul în două părți ușor de gestionat.

În cele din urmă, au folosit caracterizarea tranziției de fază pentru a identifica numărul maxim de qubiți pe care i-ar putea păstra în regimul de zgomot scăzut, având în vedere rata de eroare de bază a procesorului Sycamore și apoi au efectuat un milion de circuite aleatorii pe ei. Deși acest lucru este relativ ușor de făcut pe hardware cuantic, chiar și presupunând că am putea construi un supercomputer fără constrângeri de lățime de bandă, simularea ar dura aproximativ 10.000 de ani pe un supercomputer existent ( Sistemul de frontieră). Permiterea întregii stocări a sistemului să funcționeze ca memorie secundară a redus estimarea la 12 ani.

1. 

   1. Două instrumente nemaivăzute până acum, din același grup, infectează dispozitivele cu aer întrerupt

2. 2. Fisker în faliment spune că nu își poate migra vehiculele electrice pe serverul unui nou proprietar

3. 3. În sfârșit, mergem la cea mai intrigantă, dar neexplorata frontieră a Sistemului Solar

4. 4. Rapoarte: China a piratat Verizon și AT&T, este posibil să fi accesat sistemele de interceptare telefonică din SUA

5. 5. Producătorii de medicamente nu mai pot produce medicamente de slăbit imitative – și sunt supărați