Bugün, kuantum bilgisayarların ölçeği küçüktür; akıllı telefonunuzdaki çip milyarlarca transistör içerirken, en güçlü kuantum bilgisayar bir transistörün kuantum eşdeğerinden birkaç yüz tane içerir. Ayrıca güvenilmezler. Aynı hesaplamayı tekrar tekrar yaparsanız, büyük ihtimalle her seferinde farklı cevaplar alırsınız.
Ancak, birçok olasılığı aynı anda göz önünde bulundurma konusundaki içsel yetenekleriyle, kuantum bilgisayarların belirli çetrefilli hesaplama sorunlarını çözmek için çok büyük olmaları gerekmiyor ve Çarşamba günü IBM araştırmacıları, güvenilmezliğin üstesinden gelmek için bir yöntem geliştirdiklerini duyurdular. güvenilir, faydalı cevaplar.
Kudüs İbrani Üniversitesi’nde bilgisayar bilimi profesörü olan ve araştırmaya dahil olmayan Dorit Aharonov, “IBM’in burada gösterdiği şey, ciddi kuantum algoritmik tasarıma doğru ilerleme yönünde gerçekten inanılmaz derecede önemli bir adımdır” dedi.
Google’daki araştırmacılar 2019’da “kuantum üstünlüğünü” -bir kuantum bilgisayarda geleneksel bir bilgisayardan çok daha hızlı yapılan bir görev- elde ettiklerini iddia ederken, IBM’deki araştırmacılar yeni ve daha kullanışlı bir şey elde ettiklerini söylüyorlar. mütevazı isim
IBM Quantum Başkan Yardımcısı Jay Gambetta, “Kuantum hesaplamanın faydalı olduğunu düşündüğüm bu aşamasına giriyoruz” dedi. “Fayda Çağı.”
Dr. için çalışan IBM bilim adamlarından oluşan bir ekip. Gambetta bulgularını Nature dergisinde Çarşamba günü yayınlanan bir makalede açıkladı.
Bugünün bilgisayarları, 1 veya 0, açık veya kapalı bilgi bitleriyle çalıştıkları için dijital veya klasik olarak adlandırılır. Kuantum bilgisayar, kuantum bitleri veya kübitler üzerinde hesaplamalar yaparak daha karmaşık bir bilgi durumu yakalar. Tıpkı fizikçi Erwin Schrödinger’in yaptığı bir düşünce deneyinin, bir kedinin hem ölü hem de canlı bir kuantum durumunda olabileceğini öne sürmesi gibi, bir kübit aynı anda 1 ve 0 olabilir.
Bu, kuantum bilgisayarların tek seferde birçok hesaplama yapmasına izin verirken, dijital bilgisayarların her hesaplamayı ayrı ayrı yapması gerekir. Kuantum bilgisayarlar, hesaplamayı hızlandırarak, kimya ve malzeme bilimi gibi bugün ulaşılamayan alanlardaki büyük, karmaşık sorunları potansiyel olarak çözebilir. Kuantum bilgi işlemin, şifreler ve şifreli iletişim için korumaları kıran algoritmalarla gizliliği tehlikeye atarak karanlık bir tarafı da olabilir.
Google araştırmacıları 2019’da üstünlük iddiasında bulunduklarında, kuantum bilgisayarlarının son teknoloji konvansiyonel bir süper bilgisayarda yaklaşık 10.000 yıl sürecek bir hesaplamayı 3 dakika 20 saniyede gerçekleştirdiğini söylediler.
Ancak, IBM’den olanlar da dahil olmak üzere diğer bazı araştırmacılar, sorunun uydurma olduğunu söyleyerek iddiayı reddetti. Dr. Aynı zamanda bir kuantum bilgisayar şirketi olan Qedma’nın bilimsel direktörü olarak da çalışan Aharonov.
Google’ın hesaplamasının da ilk göründüğünden daha az etkileyici olduğu ortaya çıktı. Çinli araştırmacılardan oluşan bir ekip, aynı hesaplamayı kuantum olmayan bir süper bilgisayarda, Google ekibinin tahmin ettiği 10.000 yıldan çok daha hızlı bir şekilde beş dakikadan biraz uzun bir sürede gerçekleştirmeyi başardı.
Yeni çalışmada IBM araştırmacıları, fizikçileri ilgilendiren farklı bir görevi yerine getirdi. Manyetik bir alanda kuantum mekaniğinin ürkütücü kurallarına uyacak kadar küçük olan 127 atomik ölçekli çubuk mıknatısın davranışını simüle etmek için 127 kübitlik bir kuantum işlemci kullandılar. Bu, genellikle manyetizmayı incelemek için kullanılan Ising modeli adı verilen basit bir sistemdir.
Bu problem, en büyük ve en hızlı süper bilgisayarlar için bile doğru bir cevap hesaplayamayacak kadar karmaşıktır.
Kuantum bilgisayarda, hesaplama saniyenin binde birinden daha kısa sürdü. Her kuantum hesaplaması güvenilmezdi -kuantum gürültüsündeki dalgalanmalar kaçınılmaz olarak karışır ve hatalara neden olur- ancak her hesaplama hızlıydı ve tekrar tekrar yapılmasına izin veriyordu.
Aslında, birçok hesaplamaya kasıtlı olarak fazladan gürültü eklendi ve bu da yanıtları daha da az güvenilir hale getirdi. Bununla birlikte, araştırmacılar, gürültü miktarını değiştirerek, hesaplamanın her adımında gürültünün belirli özelliklerini ve etkilerini belirleyebildiler.
IBM Quantum’da kuantum yetenekleri ve gösteriler yöneticisi ve Nature makalesinin yazarı Abhinav Kandala, “Gürültüyü çok hassas bir şekilde yükseltebilir ve ardından aynı devreyi tekrar çalıştırabiliriz” dedi. “Ve bu farklı gürültü seviyelerinde sonuçlara sahip olduğumuzda, gürültü olmadan sonucun ne olacağını hesaplayabiliriz.”
Esasen, araştırmacılar, hata azaltma adını verdikleri bir süreç olan güvenilmez kuantum hesaplamalarından gürültünün etkilerini çıkarabildiler.
“Gürültüyü azaltmak için çok zekice yollar bularak bunun üstesinden gelmelisiniz,” dedi Dr. Aharonov. “Ve yaptıkları da bu.”
Toplamda, bilgisayar hesaplamayı 600.000 kez çalıştırdı ve 127 çubuk mıknatıslar tarafından üretilen toplam mıknatıslanma için bir sonuca ulaştı.
Ama cevap ne kadar iyiydi?
Yardım için IBM ekibi, Berkeley’deki California Üniversitesi’ndeki fizikçilere başvurdu. 127 bar mıknatıslı bir Ising modeli çok büyük ve çok fazla olası yapılandırmayla geleneksel bir bilgisayara sığmayacak kadar büyük olsa da, klasik algoritmalar yaklaşık yanıtlar sağlayabilir; görüntü ayrıntılarının çoğunu korurken dosya.
Berkeley’de fizik profesörü ve Nature makalesinin yazarı Michael Zaletel, IBM ile ilk çalışmaya başladığında, onun klasik algoritmalarının kuantum algoritmalarından daha iyi performans göstereceğini düşündüğünü söyledi.
“Beklediğimden biraz farklı çıktı,” dedi Dr. Zaletel.
Ising modelinin belirli konfigürasyonları tam olarak çözülebilir ve daha basit örnekler için hem klasik hem de kuantum algoritmaları kabul eder. Daha karmaşık ama çözülebilir durumlar için, kuantum algoritması ve klasik algoritma farklı cevaplar verdi ve doğru olan da kuantum algoritmasıydı.
Kuantum ve klasik hesaplamaların farklılık gösterdiği ve kesin çözümlerin bilinmediği diğer durumlar için, “kuantum sonucunun daha doğru olduğuna inanmak için nedenler var” dedi Berkeley’de bu konuda çalışmaların çoğunu yapan yüksek lisans öğrencisi Sajant Anand. klasik yaklaşımları yaptı.
Ising modeli için kuantum hesaplamanın klasik tekniklere karşı yadsınamaz bir kazanan olup olmadığı açık değildir.
Bay Anand şu anda klasik algoritma için bir hata azaltma sürümü eklemeye çalışıyor ve bunun kuantum hesaplamalarının performansıyla eşleşmesi veya bu performansı aşması olası.
“Burada kuantum üstünlüğünü elde ettikleri açık değil,” dedi Dr. Zaletel.
Uzun vadede kuantum bilimcileri, başka bir yaklaşımın, hata düzeltmenin, hesaplama hatalarını tespit edip düzeltebileceğini ve bunun kuantum bilgisayarlar için birçok uygulamaya kapı açacağını umuyor.
Geleneksel bilgisayarlarda ve veri iletiminde, bozulmayı düzeltmek için zaten hata düzeltme kullanılır. Ancak kuantum bilgisayarlar için, hata düzeltme muhtemelen yıllar alacak ve çok daha fazla kübiti işleyebilen daha iyi işlemciler gerektirecektir.
IBM bilim adamları, hata azaltmanın artık Ising modelinin dışında giderek daha karmaşık hale gelen sorunlar için kullanılabilecek geçici bir çözüm olduğuna inanıyor.
“Bu, var olan en basit bilimsel sorunlardan biri” dedi Dr. Gambetta. “Yani bu iyi bir başlangıç. Ama şimdi soru şu: Bunu nasıl genelleştirebilir ve daha ilginç bilimsel problemlere nasıl geçebilirim?”
Bu, egzotik malzemelerin özelliklerini bulmayı, ilaç keşfini hızlandırmayı ve füzyon reaksiyonlarını modellemeyi içerebilir.
Ancak, birçok olasılığı aynı anda göz önünde bulundurma konusundaki içsel yetenekleriyle, kuantum bilgisayarların belirli çetrefilli hesaplama sorunlarını çözmek için çok büyük olmaları gerekmiyor ve Çarşamba günü IBM araştırmacıları, güvenilmezliğin üstesinden gelmek için bir yöntem geliştirdiklerini duyurdular. güvenilir, faydalı cevaplar.
Kudüs İbrani Üniversitesi’nde bilgisayar bilimi profesörü olan ve araştırmaya dahil olmayan Dorit Aharonov, “IBM’in burada gösterdiği şey, ciddi kuantum algoritmik tasarıma doğru ilerleme yönünde gerçekten inanılmaz derecede önemli bir adımdır” dedi.
Google’daki araştırmacılar 2019’da “kuantum üstünlüğünü” -bir kuantum bilgisayarda geleneksel bir bilgisayardan çok daha hızlı yapılan bir görev- elde ettiklerini iddia ederken, IBM’deki araştırmacılar yeni ve daha kullanışlı bir şey elde ettiklerini söylüyorlar. mütevazı isim
IBM Quantum Başkan Yardımcısı Jay Gambetta, “Kuantum hesaplamanın faydalı olduğunu düşündüğüm bu aşamasına giriyoruz” dedi. “Fayda Çağı.”
Dr. için çalışan IBM bilim adamlarından oluşan bir ekip. Gambetta bulgularını Nature dergisinde Çarşamba günü yayınlanan bir makalede açıkladı.
Bugünün bilgisayarları, 1 veya 0, açık veya kapalı bilgi bitleriyle çalıştıkları için dijital veya klasik olarak adlandırılır. Kuantum bilgisayar, kuantum bitleri veya kübitler üzerinde hesaplamalar yaparak daha karmaşık bir bilgi durumu yakalar. Tıpkı fizikçi Erwin Schrödinger’in yaptığı bir düşünce deneyinin, bir kedinin hem ölü hem de canlı bir kuantum durumunda olabileceğini öne sürmesi gibi, bir kübit aynı anda 1 ve 0 olabilir.
Bu, kuantum bilgisayarların tek seferde birçok hesaplama yapmasına izin verirken, dijital bilgisayarların her hesaplamayı ayrı ayrı yapması gerekir. Kuantum bilgisayarlar, hesaplamayı hızlandırarak, kimya ve malzeme bilimi gibi bugün ulaşılamayan alanlardaki büyük, karmaşık sorunları potansiyel olarak çözebilir. Kuantum bilgi işlemin, şifreler ve şifreli iletişim için korumaları kıran algoritmalarla gizliliği tehlikeye atarak karanlık bir tarafı da olabilir.
Google araştırmacıları 2019’da üstünlük iddiasında bulunduklarında, kuantum bilgisayarlarının son teknoloji konvansiyonel bir süper bilgisayarda yaklaşık 10.000 yıl sürecek bir hesaplamayı 3 dakika 20 saniyede gerçekleştirdiğini söylediler.
Ancak, IBM’den olanlar da dahil olmak üzere diğer bazı araştırmacılar, sorunun uydurma olduğunu söyleyerek iddiayı reddetti. Dr. Aynı zamanda bir kuantum bilgisayar şirketi olan Qedma’nın bilimsel direktörü olarak da çalışan Aharonov.
Google’ın hesaplamasının da ilk göründüğünden daha az etkileyici olduğu ortaya çıktı. Çinli araştırmacılardan oluşan bir ekip, aynı hesaplamayı kuantum olmayan bir süper bilgisayarda, Google ekibinin tahmin ettiği 10.000 yıldan çok daha hızlı bir şekilde beş dakikadan biraz uzun bir sürede gerçekleştirmeyi başardı.
Yeni çalışmada IBM araştırmacıları, fizikçileri ilgilendiren farklı bir görevi yerine getirdi. Manyetik bir alanda kuantum mekaniğinin ürkütücü kurallarına uyacak kadar küçük olan 127 atomik ölçekli çubuk mıknatısın davranışını simüle etmek için 127 kübitlik bir kuantum işlemci kullandılar. Bu, genellikle manyetizmayı incelemek için kullanılan Ising modeli adı verilen basit bir sistemdir.
Bu problem, en büyük ve en hızlı süper bilgisayarlar için bile doğru bir cevap hesaplayamayacak kadar karmaşıktır.
Kuantum bilgisayarda, hesaplama saniyenin binde birinden daha kısa sürdü. Her kuantum hesaplaması güvenilmezdi -kuantum gürültüsündeki dalgalanmalar kaçınılmaz olarak karışır ve hatalara neden olur- ancak her hesaplama hızlıydı ve tekrar tekrar yapılmasına izin veriyordu.
Aslında, birçok hesaplamaya kasıtlı olarak fazladan gürültü eklendi ve bu da yanıtları daha da az güvenilir hale getirdi. Bununla birlikte, araştırmacılar, gürültü miktarını değiştirerek, hesaplamanın her adımında gürültünün belirli özelliklerini ve etkilerini belirleyebildiler.
IBM Quantum’da kuantum yetenekleri ve gösteriler yöneticisi ve Nature makalesinin yazarı Abhinav Kandala, “Gürültüyü çok hassas bir şekilde yükseltebilir ve ardından aynı devreyi tekrar çalıştırabiliriz” dedi. “Ve bu farklı gürültü seviyelerinde sonuçlara sahip olduğumuzda, gürültü olmadan sonucun ne olacağını hesaplayabiliriz.”
Esasen, araştırmacılar, hata azaltma adını verdikleri bir süreç olan güvenilmez kuantum hesaplamalarından gürültünün etkilerini çıkarabildiler.
“Gürültüyü azaltmak için çok zekice yollar bularak bunun üstesinden gelmelisiniz,” dedi Dr. Aharonov. “Ve yaptıkları da bu.”
Toplamda, bilgisayar hesaplamayı 600.000 kez çalıştırdı ve 127 çubuk mıknatıslar tarafından üretilen toplam mıknatıslanma için bir sonuca ulaştı.
Ama cevap ne kadar iyiydi?
Yardım için IBM ekibi, Berkeley’deki California Üniversitesi’ndeki fizikçilere başvurdu. 127 bar mıknatıslı bir Ising modeli çok büyük ve çok fazla olası yapılandırmayla geleneksel bir bilgisayara sığmayacak kadar büyük olsa da, klasik algoritmalar yaklaşık yanıtlar sağlayabilir; görüntü ayrıntılarının çoğunu korurken dosya.
Berkeley’de fizik profesörü ve Nature makalesinin yazarı Michael Zaletel, IBM ile ilk çalışmaya başladığında, onun klasik algoritmalarının kuantum algoritmalarından daha iyi performans göstereceğini düşündüğünü söyledi.
“Beklediğimden biraz farklı çıktı,” dedi Dr. Zaletel.
Ising modelinin belirli konfigürasyonları tam olarak çözülebilir ve daha basit örnekler için hem klasik hem de kuantum algoritmaları kabul eder. Daha karmaşık ama çözülebilir durumlar için, kuantum algoritması ve klasik algoritma farklı cevaplar verdi ve doğru olan da kuantum algoritmasıydı.
Kuantum ve klasik hesaplamaların farklılık gösterdiği ve kesin çözümlerin bilinmediği diğer durumlar için, “kuantum sonucunun daha doğru olduğuna inanmak için nedenler var” dedi Berkeley’de bu konuda çalışmaların çoğunu yapan yüksek lisans öğrencisi Sajant Anand. klasik yaklaşımları yaptı.
Ising modeli için kuantum hesaplamanın klasik tekniklere karşı yadsınamaz bir kazanan olup olmadığı açık değildir.
Bay Anand şu anda klasik algoritma için bir hata azaltma sürümü eklemeye çalışıyor ve bunun kuantum hesaplamalarının performansıyla eşleşmesi veya bu performansı aşması olası.
“Burada kuantum üstünlüğünü elde ettikleri açık değil,” dedi Dr. Zaletel.
Uzun vadede kuantum bilimcileri, başka bir yaklaşımın, hata düzeltmenin, hesaplama hatalarını tespit edip düzeltebileceğini ve bunun kuantum bilgisayarlar için birçok uygulamaya kapı açacağını umuyor.
Geleneksel bilgisayarlarda ve veri iletiminde, bozulmayı düzeltmek için zaten hata düzeltme kullanılır. Ancak kuantum bilgisayarlar için, hata düzeltme muhtemelen yıllar alacak ve çok daha fazla kübiti işleyebilen daha iyi işlemciler gerektirecektir.
IBM bilim adamları, hata azaltmanın artık Ising modelinin dışında giderek daha karmaşık hale gelen sorunlar için kullanılabilecek geçici bir çözüm olduğuna inanıyor.
“Bu, var olan en basit bilimsel sorunlardan biri” dedi Dr. Gambetta. “Yani bu iyi bir başlangıç. Ama şimdi soru şu: Bunu nasıl genelleştirebilir ve daha ilginç bilimsel problemlere nasıl geçebilirim?”
Bu, egzotik malzemelerin özelliklerini bulmayı, ilaç keşfini hızlandırmayı ve füzyon reaksiyonlarını modellemeyi içerebilir.