UC Berkeley ve Purdue Üniversitesi ile işbirliği içinde IBM araştırmacılarından oluşan bir ekip, günümüzün NISQ (Gürültülü Orta Ölçekli Kuantum) bilgisayarlarından birinden yararlı kuantum hesaplamayı çıkarmayı başardı. Ekip, IBM’in en son Kuantum İşleme Birimlerinden (QPU) biri olan Eagle’ı kullanarak hesaplamalar yaptı. başarısız olması bekleniyordu kübit gürültüsünün ortasında. Bununla birlikte, IBM’in 127-qubit Eagle QPU’su ile UC Berkeley ve Purdue University, IBM süper bilgisayarları arasında akıllı bir geri bildirim mekanizması kullanarak kanıtlamayı başardı gürültülü bir QPU’dan yararlı sonuçlar elde edebilir. Kuantum yardımcı programının kapısı açık – ve beklenenden çok daha erken geldik.
NISQ dönemi kuantum bilgisayarlarımız, insanoğlunun bildiği en güçlü makineler olan ve saniyede trilyonlarca işlem yapabilen standart süper bilgisayarlarımıza bağlanmıştır. Ne kadar güçlü olsalar da, iki özne birbirine kenetlendiğinde, yalnızca en yavaşlarının izin verdiği kadar hızlı hareket ettikleri evrensel bir gerçektir. Ve süper bilgisayar, simülasyonun karmaşıklığına ayak uydurmak için gelişmiş teknikler kullanarak bu deney için çoktan gerildi.
Qubit’lerin simülasyonu, süper bilgisayarın sonuçları basitçe “kaba kuvvetle” uygulayamayacağı kadar karmaşık hale geldiğinde, UC Berkeley’deki araştırmacılar sıkıştırma algoritmaları – tensör ağ durumları – kullanmaya başladılar. Bu tensör ağ durumları (matrisler), esas olarak, hesaplamaları oluşturan sayıların, daha yaygın bir 2B çözümden daha karmaşık bilgi ilişkilerini ve hacimlerini işleyebilen üç boyutlu bir alanda (x, y, z) temsil edildiği veri küpleridir. – basit bir Excel 2B tablosunu (x, y) ve başka bir bilgi düzlemi (z) düşünmeniz gerektiğinde bu yapılandırmada aramanız gereken daha birçok satırı düşünün.
“İşin can alıcı noktası, Eagle’ın 127 kübitinin tamamını artık oldukça büyük ve derin bir devreyi çalıştırmak için kullanabiliyor olmamız ve sayıların doğru çıkması.”
Kristan Tema
Bu, zaten NISQ kuantum bilgisayarlarından çıkarılabilecek bazı yardımcı programların olduğu anlamına gelir – en azından zaman ve para açısından – standart süper bilgisayarların ulaşamayacağı sonuçlar üretebilecekleri veya çemberlerin gerekli olduğu konular vardır. Bu sonuçları elde etmek, çabayı kazançtan daha büyük hale getirecektir.
Artık birkaç yüz kübit (en iyi ihtimalle) içeren NISQ dönemi kuantum bilgisayarlarımız tarafından sağlanan çözümler ile trilyonlarca transistör içeren standart süper bilgisayarlarımız arasında bir gidip gelme var. Kullanılabilir, yararlı kübitlerin sayısı arttıkça, makalede kullanılan 60 derinliği daha derin devreler keşfedilecektir. Qubit’lerin sayısı ve kalitesi arttıkça, standart süper bilgisayarların da ayak uydurması, sayıları hesaplaması ve mümkün olduğu kadar derin bir kuantum hesaplama sonuçlarını doğrulaması gerekecek.
“Yeni klasik yöntemlere olan ihtiyacı hemen işaret ediyor” dedi Anand. Ve zaten bu yöntemleri araştırıyorlar. “Şimdi, daha iyi klasik sonuçlar elde edip edemeyeceğimizi görmek için aynı hata azaltma konseptini alıp klasik tensör ağ simülasyonlarına uygulayıp uygulayamayacağımızı soruyoruz.”
Temel olarak, kuantum sisteminizde gürültünün nasıl geliştiğini ne kadar doğru tahmin edebilirseniz, gürültünün doğru sonuçları nasıl zehirlediğini o kadar iyi bilirsiniz. Bir şeyi nasıl tahmin edeceğinizi öğrenmenin yolu, basitçe onu dürtmek ve ne olduğunu, onu harekete geçiren manivelaları belirleyebileceğiniz kadar gözlemlemektir.
Bu kaldıraçlardan bazıları, kübitlerinizi nasıl ve ne zaman etkinleştirdiğinizle ilgilidir (bazı devreler daha fazla kübit kullanır, diğerleri ise bu kübitlerin, belirli kübitler arasında daha karmaşık dolaşıklıklarla az ya da çok kuantum kapıları halinde düzenlenmesini gerektirir…) IBM araştırmacılarının öğrenmesi gereken şeyler vardı. 127 kübitlik Kuantum Kartalı içindeki bu düğmelerin her birinin hareket ettirilmesinin tam olarak ne kadar ve ne kadar ses çıkardığını – çünkü gürültüyü nasıl ekleyeceğinizi biliyorsanız, o zaman onu kontrol etmeye başlarsınız. İlk etapta nasıl göründüğünü anlarsanız, bunun nedenini açıklayabilirsiniz, bu da sizin deneyip engellemenizi veya bundan yararlanmanızı sağlar.
Ancak gürültülü bilgisayarınızda yalnızca hesaplamalar yapıyorsanız, bu hesaplamaların doğru olduğunu nasıl bilebilirsiniz? Standart süper bilgisayarların – ve temel gerçeği aramanın – devreye girdiği yer burasıdır.
IBM ekibi iki süper bilgisayara erişim sağladı – Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nın Ulusal Enerji Araştırması Bilimsel Bilgi İşlem Merkezi (NERSC) ve Purdue Üniversitesi’ndeki NSF tarafından finanse edilen Anvil süper bilgisayarı. Bu süper bilgisayarlar, IBM’in 127 kübitlik Eagle QPU’sunda çalıştırdığı aynı kuantum simülasyonlarını hesaplayacaktı – içlerinde gerektiği gibi ve süper bilgisayarlardan gelen her iki sonucun karşılaştırılmasına izin verecek şekilde bölündü. Artık bir temel gerçeğiniz var – doğru olduğunu bildiğiniz, standart süper bilgisayarlar tarafından elde edilen ve doğrulanan çözüm. Şimdi gürültülü sonuçlarınızı doğru sonuçlarla karşılaştırmak için ışık yeşil.
“IBM, grubumuzun bu tür deneyler için gerekli hesaplama araçlarında uzmanlaştığını bilerek, grubumuza projeyi üstlenmek isteyip istemediğimizi sordu.” UC Berkeley’den mezun araştırmacı Sajant Anand dedi. “İlk başta bunun ilginç bir proje olduğunu düşünmüştüm ama sonuçların bu şekilde olmasını beklemiyordum.”
O zaman mesele “sadece” bir “farkları bulma” bulmacasını çözme meselesidir: gürültünün varlığının sonuçları tam olarak nasıl çarpıttığını anladığınızda, onun varlığını telafi edebilir ve aynı “temel gerçeği” elde edebilirsiniz. standart süper bilgisayarların sonuçları. IBM bu tekniğe Sıfır Gürültü Ekstrapolasyonu (ZNE) adını verir.
Bu simbiyotik bir süreçtir: Makaleden sorumlu IBM ekibi aynı zamanda hata azaltma tekniklerini ve Sıfır Gürültü Ekstrapolasyonuna eşdeğerlerini standart süper bilgisayarlara getirmek istiyor. En son donanım geliştirmelerinden elde edilen ham güç artışı ile algoritma ve teknik optimizasyonları (akıllı sıkıştırma algoritmalarının kullanımı gibi) arasında, ham süper bilgi işlem gücü artacak ve bu da, post çağda kuantum hesaplama çalışmamızı biraz daha doğrulamamıza olanak tanıyacak. -NISQ kuantum bilgisayarları ve bunların kuantum hata düzeltme dağıtımları.
İşte o an ip kopuyor ve kuantum, sonuçlarını klasik tekniklerle doğrulama ihtiyacından nispeten kurtulmuş olacak. Kuantum hesaplamayı yavaşlatan şey budur (tabii ki kübitlerin hesaplamaları kendilerinin yapmasına izin verecek hata düzeltmesinin olmamasının ötesinde).
IBM Quantum’da Quantum Capabilities and Demonstrations yöneticisi Dr. Abhinav Kandala, bu makale için Tom’s Hardware ile yaptığı bir röportajda bunu çok güzel bir şekilde ifade etti:
“… Bu durumun gürültülü bir versiyonuna sahip olsanız bile, gürültünün yokluğunda o halin hangi özelliklerinin olacağını ölçebilirsiniz.”
Abhinav Kandala Dr.
Kuantum haricinde, sorunun karmaşıklığını süper bilgisayarların kaldırabileceğinin ötesine yükseltebilirsiniz ve gürültünün sistemi nasıl etkilediğini doğru bir şekilde modellediğiniz için, yine de gürültülü sonuçlarınız üzerinde temizleme adımlarını gerçekleştirebilirsiniz… bir dereceye kadar güvenle. Standart süper bilgisayarlar tarafından sağlanan “kesin olarak doğru” sonuçlardan ne kadar uzaklaşırsanız, gürültü modelinizde açıklanmayan (ve açıklanamayan) hesaplamalara ölümcül hatalar sokma olasılığınız o kadar artar.
Ancak sonuçlarınıza güvenebilseniz de, gerçekten kullanışlı olan ve Berkeley’deki süper bilgisayar gibi mevcut nesil, klasik Turing makineleriyle elde edilebilecek olanın ötesinde kuantum işleme yetenekleri sağladınız. Ayrıca mevcut NISQ (Gürültülü Ara Aşama Kuantum) dönemi bilgisayarlarımızda mümkün olduğu düşünülenin de ötesinde. Ve kısa vadeli kuantum cihazları için tasarlanan pek çok algoritmanın, kuantum kapılarının “değerinde” 60 adımı aşan devre derinlikleri sağlayabilen IBM’in Eagle QPU’sundaki 127 kübite sığması mümkün olacak.
Dr. Kandala daha sonra ekledi: “Kısa derinlikli kuantum devrelerini çalıştıran ve durumun özelliklerini ölçen beklenti değerleri olarak adlandırılan şeyi ölçen hata azaltma ile yaptığımız şey, insanların kuantum bilgisayarlarla yapmak istediği tek şey bu değil, tam olarak kilidini açmak demek istiyorum. potansiyel kişinin kuantum hata düzeltmesine ihtiyacı vardır ve yaygın olan duygu, yapılacak yararlı herhangi bir şey için, kişinin buna ancak hatası düzeltilmiş bir kuantum bilgisayara sahip olduğunuzda erişebileceği yönündeydi.
“Kritik parça, gürültüyü nabız esnetmenin ötesinde manipüle edebilmekti” dedi Dr. Kandala. “Bu işe yaramaya başladığında, daha önce yapamadığımız bir şekilde gürültüden kaynaklanan önyargıyı bastırabilecek daha karmaşık tahminler yapabildik.”
ZNE, muhtemelen herhangi bir kuantum bilgi işlem yaklaşımının temelini oluşturacak – hata azaltma, şu anda sahip olduğumuz hata eğilimli NISQ bilgisayarları için temel bir gerekliliktir ve hata düzeltmenin eşiğine geldiğimizde bile muhtemelen gerekli olacaktır – kesin olarak gören bir yaklaşım diğer kübitlerin hesaplamalarındaki hataları düzeltmekle ilgili işlevlerle görevlendirilmiş kübitler.
IBM’in burada yaptığı çalışma, şirketin yol haritası üzerinde şimdiden etkili oldu – ZNE, bir Kuantum İşleme Birimi (QPU) içinde halihazırda kontrol edebildiğimiz kübitlerden daha iyi kübitler yapma gibi çekici bir kaliteye sahip. Sanki bir megahertz artışımız varmış gibi – herhangi bir ek mantık olmadan daha fazla performans (daha az gürültü). Bu derslerin “milyon + kübit” yolunda mümkün olan her yerde dikkate alındığından ve uygulandığından emin olabiliriz.
Ayrıca, bu çalışmanın kuantum ve klasik arasında gerçekten bir yarış olmadığını nasıl gösterdiğini göz ardı etmek de zor: AMD’nin eski motoruyla biraz oynamak için gelecek gerçekten de Fusion’da. Bu Füzyon, belirli işlem ihtiyaçlarını karşılayan belirli bilgi işlem öğelerini görecektir. Klasikten kuantuma, ne kadar karmaşık olursa olsun her problemin kendi aracı vardır; ve insan zekası, tüm yeteneklerimizi kullanmada mükemmel olmamızı gerektirir.
Standart süper bilgisayarlar ile kuantum bilgisayarlar arasındaki bu meşhur ip yalnızca bir yere kadar uzar – ancak IBM, uzunluğunu uzatmak için giderek daha akıllı yollar buluyor. Bu araştırma sayesinde, kuantum bilgisayarlar şimdiden biraz ileriyi görmeye başlıyor. Belki de Dr. Kandala umduğunu beklediğinden daha erken görecek: Kuantum faydaya giden oyun alanı artık programın ilerisinde açıldı. İnsanların içinde neler yapabileceğini görelim, olur mu?