Beş dakika. Bu, Google tarafından sunulan yeni kuantum çipi Willow'un, geleneksel bir süper bilgisayarı 10 septilyon yıl (10^25) boyunca, yani evrenin tahmini yaşından daha uzun bir süre boyunca meşgul tutacak bir hesaplamayı çözmesi için gereken süredir. . Bu, kuantum teknolojilerinin bir dalı olan kuantum hesaplama alanında çok önemli bir sonuçtur; son yıllarda pek çok vaat ve iddialı tahminler sunmasına rağmen çok az pratik sonuç sağlamıştır.
“2012'de Google Quantum AI'yi kurduğumda vizyonum, bugün bildiğimiz kadarıyla doğanın “işletim sistemi” olan kuantum mekaniğini toplumun yararına kullanabilecek, bilimsel gelişmeleri ilerletebilecek kullanışlı, büyük ölçekli bir kuantum bilgisayarı oluşturmaktı. Google Quantum AI direktörü Hartmut Neven, yeni Willow çipini tanıtan blog yazısında, keşifler, faydalı uygulamalar geliştirme ve toplumun en büyük zorluklarından bazılarının üstesinden gelme,” diye yazıyor. “Google Araştırma kapsamında ekibimiz uzun vadeli bir yol haritası hazırladı ve Willow bizi ticari açıdan anlamlı uygulamalara doğru önemli ölçüde ilerletiyor.”Kuantum bilgisayarların temel sorunu
Willow'un avantajı, çipin, kuantum hesaplama birimi olan kübitlerin sayısı arttıkça mantıksal hataları azaltabilmesinde yatıyor. Bu teknik bir detay değil, temel öneme sahip bir adımdır.
Yalnızca 1 ve 0 değerini alabilen klasik bitten farklı olarak, kuantum biti veya kubit, belirli koşullar altında meydana gelen kuantum süperpozisyon adı verilen bir olgu sayesinde aynı anda birden fazla değer alabilir: Google örneğinde Çip, süper iletken bir metali mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda soğutarak. Bu özellik sayesinde sisteme eklenen her kübit, sistemde depolanabilecek bilgi miktarını katlanarak artırır ve bu durum, ikili bilgisayarlarla çözülmesi zor olan hesaplama problemlerini büyük ölçüde hızlandırmak için kullanılabilir. Bununla birlikte kübitlerin miktarı (Willow durumunda 105) daha fazla etkililiğin veya hesaplama kapasitesinin göstergesi değildir. Kuantum sistemlerinin temel sorunu aslında sistemin çevredeki ortamla etkileşiminin kolaylığı nedeniyle süperpozisyon durumunu sabit tutmanın zorluğudur. Bu etkileşimlerin sisteme getirdiği rahatsızlıklar çoğalır, sonuçta sonuçları kullanılamaz hale getirebilecek gürültü ve hatalara neden olur. Pek çok kuantum teknolojisi için bu özellik, çevredeki ortamı analiz etmek ve dolayısıyla kuantum bileşenlerini sanki özel sensörlermiş gibi kullanmak için kullanılabilir. Kübitlerin mümkün olduğunca izole ve kararlı kalması gereken kuantum hesaplamada çözülmesi gereken temel sorun budur.
Şuradan gelen hatalar: doğru
Bu nedenle sektörde “hata düzeltme” kavramı hayati önem taşıyor, kuantum bilgisayarların kullanışlı hale getirilmesi için hataların düzeltilmesi gerekiyor. Bu prensip 1995 yılında Peter Shor tarafından ortaya atıldı ve o zamandan bu yana kuantum hesaplama üzerine yapılan çalışmaların kaçınılmaz bir dayanağı oldu. Google tam da bu noktada çok önemli bir kilometre taşını aştığını iddia ediyor.
Neven, duyuruda şöyle yazıyor: “Genel olarak ne kadar çok kübit kullanılırsa o kadar çok hata meydana gelir ve sistem klasik hale gelir.” “[Nei nostri risultati pubblicati su Nature abbiamo dimostrato che] Willow'da ne kadar çok kübit kullanırsak hataları o kadar azaltırız ve sistem o kadar kuantum hale gelir. 3×3 kodlu kübitlerden oluşan bir ızgaradan, 5×5'lik bir ızgaraya, 7×7'lik bir ızgaraya kadar giderek daha büyük fiziksel kübit dizilerini test ettik ve her seferinde, kuantum hata düzeltmesindeki en son ilerlemelerimizi kullanarak hata oranını yarıya indirmeyi başardık. . Başka bir deyişle hata oranında üstel bir azalma sağladık.”
Kübit sayısı arttıkça hata sayısının azalması, sektörde “eşik altı” olarak biliniyor. Google, Nature'da yayınlanan makalesinde, Willow tabanlı bilgisayarın “eşik altı” çalışabilen ilk kuantum sistemi olduğunu ve süper iletken bir kuantum bilgisayarına gerçek zamanlı hata düzeltme modunu entegre eden ilk kuantum sistemi olduğunu iddia ediyor. Google, bunun da merkezi bir ayrıntı olduğunu açıklıyor; çünkü düzeltme ne kadar hızlı ve etkili olursa, hesaplama sürecinin tamamlanmadan önce bozulma riski de o kadar düşük olur.
Neven, Google gönderisinde şunları söylüyor: “Bu, ölçeklenebilir bir mantıksal kübitin şimdiye kadarki en ilgi çekici prototipidir ve çok büyük, kullanışlı kuantum bilgisayarlar oluşturmanın mümkün olduğunu gösteriyor.” “Willow bizi geleneksel bilgisayarlarda kopyalanamayan pratik, ticari açıdan uygun algoritmaları çalıştırmaya bir adım daha yaklaştırıyor.”
Çoklu evrende süper hesaplama
Willow'un kuantum performansını ölçmek için Google, orijinal olarak Google Quantum ekibi tarafından geliştirilen “Rastgele Devre Örneklemesi” veya RCS adı verilen standart bir kıyaslama kullandı. Süreç, test edilen kuantum bilgisayarın aslında geleneksel bir süper bilgisayarın yapamadığı hesaplamaları gerçekleştirebildiğini göstermeye hizmet ediyor. Kuantum bilgisayarların “paralel” hesaplama yeteneklerinden en iyi şekilde yararlanmak için tasarlanmıştır ve olmazsa olmaz koşul söz konusu bilgisayarın geleneksel bir sisteme göre gerçek bir avantaja sahip olduğunu göstermek. Bu, makalemizin başında bahsettiğimiz hesaplamadır: Willow bunu, geleneksel bir bilgisayar için 10^25 yıla kıyasla beş dakikadan daha kısa bir sürede gerçekleştirdi. Google, “Bu şaşırtıcı sayı, fiziğin bilinen zamanlarını ve evrenin yaşını çok aşıyor” diye yazıyor.
Google bilim adamlarının sonuca yönelik coşkusu hem Nature makalesinde hem de Big G web sitesinde yayınlanan duyuru gönderisinde açıkça görülüyor. Ancak resmi gazetede yer almayan ilgi çekici bir not içeriyor: “[Questo risultato] İlk olarak David Deutsch tarafından yapılan bir tahmin olan çoklu evrende yaşadığımız fikri doğrultusunda kuantum hesaplamanın birçok paralel evrende gerçekleştiği fikrine güven veriyor.Dikkat çekici duyurular, faydalar ve riskler vadeli işlemlerÇoklu evrene ilişkin büyüleyici teorilerin arasında, en sıradan uygulamada tekevren içinde sıkışıp kaldığımız bir durumda RCS hesaplaması işe yaramaz. Sadece bu değil, geleneksel bir bilgisayarın aynı hesaplamayı çözmesi için gereken süreye ilişkin ifade, bulduğu zamanı bırakıyor çünkü kıyaslama, geleneksel bir bilgisayarın algoritmaları için değil, bir kuantum bilgisayar tarafından gerçekleştirilmek üzere tasarlanmış ve optimize edilmiştir. . Ancak Google'ın uzmanların dışında da anlaşılabilecek bir referansa ihtiyacı olduğu açık ve evrenin yaşıyla karşılaştırma bu amaç için kesinlikle faydalı, ancak sektör uzmanlarının kaşlarını kaldırıyor. Aslına bakılırsa bu, Google'ın kuantum çipleriyle inanılmaz sonuçlar elde ettiğini iddia ettiği ilk sefer değil. 2019'da Big G, Willow'un öncülleri olan Sycamore çiplerini temel alan bir sistemle “kuantum üstünlüğünü”, yani geleneksel bilgisayarlar üzerinde kuantum üstünlüğünü elde ettiğini iddia etti. Bu durumda, sonuçların ve Google'ın “iddialarının” daha sonra yapılan bir analizi, şirketin bilim adamlarının iddialarının yöntemi ve bağımsız olarak tekrarlanabilirliği hakkındaki şüpheleri vurgulamış ve keşiflerin kapsamını kısmen küçümsemiştir. O zamandan beri sektörde aktif olan birçok bilim insanı Big G'nin ilerlemelerini inceledi. boşalmak grano salisincelenen teknolojideki gelişmelere büyük ilgi duyan büyük şirketlerin yaptığı her büyük ve gösterişli bilimsel duyuruda olduğu gibi. Ancak Google'ın duyurusu, en şüpheci olanlar için bile hâlâ çok önemli. Hataların katlanarak azaltılmasıyla bir kuantum sisteminin stabilitesini koruma yeteneği, eğer gösterilirse ve tekrarlanabilirse, alanı kimya, tıp alanlarında daha önce hayal edilmemiş ilerlemelere açabilecek işlevsel ve kullanışlı bir kuantum bilgisayarına doğru ileriye doğru atılmış somut bir adımdır. ve yapay zeka.
Bununla birlikte, özellikle yeterince güçlü bir kuantum bilgisayarının mevcut kriptografik sistemlerden bazılarını, özellikle de günümüzün dijital güvenliğinin çoğunun dayandığı asal sayıların çarpanlara ayrılmasına dayanan sistemleri tehlikeye atma yeteneği açısından risklerde de bir eksiklik yoktur. Bu nedenle, kriptografi topluluğu halihazırda gelecekteki kuantum bilgisayarların saldırılarına da direnecek şekilde tasarlanmış yeni “kuantum açısından güvenli” şifreleme sistemleri geliştiriyor.
“2012'de Google Quantum AI'yi kurduğumda vizyonum, bugün bildiğimiz kadarıyla doğanın “işletim sistemi” olan kuantum mekaniğini toplumun yararına kullanabilecek, bilimsel gelişmeleri ilerletebilecek kullanışlı, büyük ölçekli bir kuantum bilgisayarı oluşturmaktı. Google Quantum AI direktörü Hartmut Neven, yeni Willow çipini tanıtan blog yazısında, keşifler, faydalı uygulamalar geliştirme ve toplumun en büyük zorluklarından bazılarının üstesinden gelme,” diye yazıyor. “Google Araştırma kapsamında ekibimiz uzun vadeli bir yol haritası hazırladı ve Willow bizi ticari açıdan anlamlı uygulamalara doğru önemli ölçüde ilerletiyor.”Kuantum bilgisayarların temel sorunu
Willow'un avantajı, çipin, kuantum hesaplama birimi olan kübitlerin sayısı arttıkça mantıksal hataları azaltabilmesinde yatıyor. Bu teknik bir detay değil, temel öneme sahip bir adımdır.
Yalnızca 1 ve 0 değerini alabilen klasik bitten farklı olarak, kuantum biti veya kubit, belirli koşullar altında meydana gelen kuantum süperpozisyon adı verilen bir olgu sayesinde aynı anda birden fazla değer alabilir: Google örneğinde Çip, süper iletken bir metali mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda soğutarak. Bu özellik sayesinde sisteme eklenen her kübit, sistemde depolanabilecek bilgi miktarını katlanarak artırır ve bu durum, ikili bilgisayarlarla çözülmesi zor olan hesaplama problemlerini büyük ölçüde hızlandırmak için kullanılabilir. Bununla birlikte kübitlerin miktarı (Willow durumunda 105) daha fazla etkililiğin veya hesaplama kapasitesinin göstergesi değildir. Kuantum sistemlerinin temel sorunu aslında sistemin çevredeki ortamla etkileşiminin kolaylığı nedeniyle süperpozisyon durumunu sabit tutmanın zorluğudur. Bu etkileşimlerin sisteme getirdiği rahatsızlıklar çoğalır, sonuçta sonuçları kullanılamaz hale getirebilecek gürültü ve hatalara neden olur. Pek çok kuantum teknolojisi için bu özellik, çevredeki ortamı analiz etmek ve dolayısıyla kuantum bileşenlerini sanki özel sensörlermiş gibi kullanmak için kullanılabilir. Kübitlerin mümkün olduğunca izole ve kararlı kalması gereken kuantum hesaplamada çözülmesi gereken temel sorun budur.
Şuradan gelen hatalar: doğru
Bu nedenle sektörde “hata düzeltme” kavramı hayati önem taşıyor, kuantum bilgisayarların kullanışlı hale getirilmesi için hataların düzeltilmesi gerekiyor. Bu prensip 1995 yılında Peter Shor tarafından ortaya atıldı ve o zamandan bu yana kuantum hesaplama üzerine yapılan çalışmaların kaçınılmaz bir dayanağı oldu. Google tam da bu noktada çok önemli bir kilometre taşını aştığını iddia ediyor.
Neven, duyuruda şöyle yazıyor: “Genel olarak ne kadar çok kübit kullanılırsa o kadar çok hata meydana gelir ve sistem klasik hale gelir.” “[Nei nostri risultati pubblicati su Nature abbiamo dimostrato che] Willow'da ne kadar çok kübit kullanırsak hataları o kadar azaltırız ve sistem o kadar kuantum hale gelir. 3×3 kodlu kübitlerden oluşan bir ızgaradan, 5×5'lik bir ızgaraya, 7×7'lik bir ızgaraya kadar giderek daha büyük fiziksel kübit dizilerini test ettik ve her seferinde, kuantum hata düzeltmesindeki en son ilerlemelerimizi kullanarak hata oranını yarıya indirmeyi başardık. . Başka bir deyişle hata oranında üstel bir azalma sağladık.”
Kübit sayısı arttıkça hata sayısının azalması, sektörde “eşik altı” olarak biliniyor. Google, Nature'da yayınlanan makalesinde, Willow tabanlı bilgisayarın “eşik altı” çalışabilen ilk kuantum sistemi olduğunu ve süper iletken bir kuantum bilgisayarına gerçek zamanlı hata düzeltme modunu entegre eden ilk kuantum sistemi olduğunu iddia ediyor. Google, bunun da merkezi bir ayrıntı olduğunu açıklıyor; çünkü düzeltme ne kadar hızlı ve etkili olursa, hesaplama sürecinin tamamlanmadan önce bozulma riski de o kadar düşük olur.
Neven, Google gönderisinde şunları söylüyor: “Bu, ölçeklenebilir bir mantıksal kübitin şimdiye kadarki en ilgi çekici prototipidir ve çok büyük, kullanışlı kuantum bilgisayarlar oluşturmanın mümkün olduğunu gösteriyor.” “Willow bizi geleneksel bilgisayarlarda kopyalanamayan pratik, ticari açıdan uygun algoritmaları çalıştırmaya bir adım daha yaklaştırıyor.”
Çoklu evrende süper hesaplama
Willow'un kuantum performansını ölçmek için Google, orijinal olarak Google Quantum ekibi tarafından geliştirilen “Rastgele Devre Örneklemesi” veya RCS adı verilen standart bir kıyaslama kullandı. Süreç, test edilen kuantum bilgisayarın aslında geleneksel bir süper bilgisayarın yapamadığı hesaplamaları gerçekleştirebildiğini göstermeye hizmet ediyor. Kuantum bilgisayarların “paralel” hesaplama yeteneklerinden en iyi şekilde yararlanmak için tasarlanmıştır ve olmazsa olmaz koşul söz konusu bilgisayarın geleneksel bir sisteme göre gerçek bir avantaja sahip olduğunu göstermek. Bu, makalemizin başında bahsettiğimiz hesaplamadır: Willow bunu, geleneksel bir bilgisayar için 10^25 yıla kıyasla beş dakikadan daha kısa bir sürede gerçekleştirdi. Google, “Bu şaşırtıcı sayı, fiziğin bilinen zamanlarını ve evrenin yaşını çok aşıyor” diye yazıyor.
Google bilim adamlarının sonuca yönelik coşkusu hem Nature makalesinde hem de Big G web sitesinde yayınlanan duyuru gönderisinde açıkça görülüyor. Ancak resmi gazetede yer almayan ilgi çekici bir not içeriyor: “[Questo risultato] İlk olarak David Deutsch tarafından yapılan bir tahmin olan çoklu evrende yaşadığımız fikri doğrultusunda kuantum hesaplamanın birçok paralel evrende gerçekleştiği fikrine güven veriyor.Dikkat çekici duyurular, faydalar ve riskler vadeli işlemlerÇoklu evrene ilişkin büyüleyici teorilerin arasında, en sıradan uygulamada tekevren içinde sıkışıp kaldığımız bir durumda RCS hesaplaması işe yaramaz. Sadece bu değil, geleneksel bir bilgisayarın aynı hesaplamayı çözmesi için gereken süreye ilişkin ifade, bulduğu zamanı bırakıyor çünkü kıyaslama, geleneksel bir bilgisayarın algoritmaları için değil, bir kuantum bilgisayar tarafından gerçekleştirilmek üzere tasarlanmış ve optimize edilmiştir. . Ancak Google'ın uzmanların dışında da anlaşılabilecek bir referansa ihtiyacı olduğu açık ve evrenin yaşıyla karşılaştırma bu amaç için kesinlikle faydalı, ancak sektör uzmanlarının kaşlarını kaldırıyor. Aslına bakılırsa bu, Google'ın kuantum çipleriyle inanılmaz sonuçlar elde ettiğini iddia ettiği ilk sefer değil. 2019'da Big G, Willow'un öncülleri olan Sycamore çiplerini temel alan bir sistemle “kuantum üstünlüğünü”, yani geleneksel bilgisayarlar üzerinde kuantum üstünlüğünü elde ettiğini iddia etti. Bu durumda, sonuçların ve Google'ın “iddialarının” daha sonra yapılan bir analizi, şirketin bilim adamlarının iddialarının yöntemi ve bağımsız olarak tekrarlanabilirliği hakkındaki şüpheleri vurgulamış ve keşiflerin kapsamını kısmen küçümsemiştir. O zamandan beri sektörde aktif olan birçok bilim insanı Big G'nin ilerlemelerini inceledi. boşalmak grano salisincelenen teknolojideki gelişmelere büyük ilgi duyan büyük şirketlerin yaptığı her büyük ve gösterişli bilimsel duyuruda olduğu gibi. Ancak Google'ın duyurusu, en şüpheci olanlar için bile hâlâ çok önemli. Hataların katlanarak azaltılmasıyla bir kuantum sisteminin stabilitesini koruma yeteneği, eğer gösterilirse ve tekrarlanabilirse, alanı kimya, tıp alanlarında daha önce hayal edilmemiş ilerlemelere açabilecek işlevsel ve kullanışlı bir kuantum bilgisayarına doğru ileriye doğru atılmış somut bir adımdır. ve yapay zeka.
Bununla birlikte, özellikle yeterince güçlü bir kuantum bilgisayarının mevcut kriptografik sistemlerden bazılarını, özellikle de günümüzün dijital güvenliğinin çoğunun dayandığı asal sayıların çarpanlara ayrılmasına dayanan sistemleri tehlikeye atma yeteneği açısından risklerde de bir eksiklik yoktur. Bu nedenle, kriptografi topluluğu halihazırda gelecekteki kuantum bilgisayarların saldırılarına da direnecek şekilde tasarlanmış yeni “kuantum açısından güvenli” şifreleme sistemleri geliştiriyor.