10 декабря 2024 года Google объявила о последнем прогрессе своего квантового чипа: чип Willow установил беспрецедентное квантовое преимущество в тесте производительности RCS (Random Line Sampling), выполнив задачу, которую требует самый продвинутый суперкомпьютер, за 5 минут.25Расчет, который можно завершить только за (миллиард миллиардов миллиардов) лет – от начала творения до конца света. Кроме того, этот чип также впервые совершил исторический прорыв в исправлении ошибок поверхностного кода: частота ошибок логических кубитов после исправления ошибок ниже, чем у всех физических кубитов, участвующих в исправлении ошибок. Другими словами, теперь это, наконец, можно исправить все лучше и лучше.
Фактически, еще в сентябре этого года я опубликовал статью, в которой представил соответствующую работу в «Назад к основам» — «Квантовая коррекция ошибок Google совершила важный прорыв: срок службы логических кубитов был значительно продлен», и упомянул, что прогресс в области чипа является ключом к этому прорыву. В статье отмечено историческое значение этой работы, а также выражена обеспокоенность по поводу отечественного процесса исследований и разработок квантовых вычислений. К моему сожалению, эта статья не привлекла тогда большого внимания. Пока квантовый чип Google Willow не был официально выпущен, он сразу же шокировал весь Интернет. Какое-то время ко мне на проверку приходил нескончаемый поток людей и просил высказать свои замечания. Мне пришлось горько улыбнуться, вытащить старую статью и сказать всем, что я ее уже интерпретировал.
Если подумать, думаю, стоит написать еще одну статью. В этот раз Google «добросовестно» опубликовал фотографии в высоком разрешении и общие показатели чипа, так что я еще могу предоставить что-то новое. Поскольку главным героем, выпущенным Google, является чип Willow, на этот раз я сосредоточусь на сверхпроводящем квантовом чипе.
Квантовый чип является носителем кубита, базовой логической единицы квантовых вычислений. Кроме того, на чипе должны быть расположены необходимые схемы, связанные с манипулированием и измерением кубитов, включая считывающие линии резонансного резонатора/передачи, линии управления микроволновым/постоянным током и т. д., а также блоки связи, необходимые для достижения квантовой запутанности.
Фактически, сверхпроводящие квантовые чипы имеют много общего с традиционными полупроводниковыми чипами: различные компоненты также напечатаны на небольших кремниевых пластинах или других подложках в виде сложных схем, а размеры отпечатков находятся в микронаномасштабе. Это дает очень привлекательное преимущество сверхпроводящим квантовым вычислениям: высокую степень совместимости с полупроводниковой промышленностью. Однако между ними есть некоторые существенные различия. С одной стороны, есть основные компоненты. Полупроводниковые чипы представляют собой полевые транзисторы, а сверхпроводящие квантовые чипы используют джозефсоновские переходы. С другой стороны, в материалах полупроводниковых чипов в основном используются легированный кремний, диоксид кремния и свинцовые материалы, такие как медь и алюминий, в то время как сверхпроводящие квантовые чипы должны использовать различные обычные сверхпроводящие материалы, такие как алюминий, ниобий, тантал и т. д. Эти различия, в свою очередь, приводят к огромным различиям в их процессах. Когда я объясняю гостям, посещающим мое отделение, нашу лабораторию по производству квантовых чипов, один из наиболее часто задаваемых вопросов: «Сколько нанометров соответствует вашему полупроводнику?» Мне всегда приходится сначала сказать «э-э», а потом мой мозг быстро думает, как доходчиво объяснить эту проблему. После объяснения этих различий я увидел, что зрители не сказали ни слова, а лишь поджали губы и твердо закивали. Я знал, что не все подробно объяснил.
Качество квантового чипа в основном определяет качество окончательного квантового расчета. Чип Willow, выпущенный на этот раз Google, содержит 105 кубитов. Подождите, всего 105 кубитов. Стоит ли выпускать его с такой помпой и завоевывать похвалу Маска и других технологических магнатов? Знаете, чип Apple M1 содержит 16 миллиардов транзисторов! Мой ответ: оно того стоит. Это квантовый чип уровня шпиля, который обнаженно демонстрирует свои мускулы. Существует множество факторов, которые делают чрезвычайно сложной разработку чипов квантовых вычислений масштаба 100.
Во-первых, квантовые состояния чрезвычайно хрупкие. Особенно для макроскопических кубитов, таких как сверхпроводящие кубиты, хранимая информация полностью исчезнет в мгновение ока (менее 1 миллисекунды). Чтобы квантовая информация исчезала медленнее, нужно приложить немало усилий (см. «Продолжительность жизни сверхпроводящего кубита превышает 500 микросекунд — хоть это и мгновение в мире, но чрезвычайное значение»).
Во-вторых, классические биты равны либо 0, либо 1, поэтому, пока шум не слишком громкий (например, в космосе), транзистор почти всегда безошибочен. Кубиты могут находиться в любом состоянии суперпозиции 0 и 1, и любого небольшого возмущения достаточно, чтобы изменить квантовое состояние.
В-третьих, в многокубитных чипах всегда будут остаточные взаимодействия между битами и битами, битами и соединителями, битами и линиями управления и т. д., которые трудно устранить, что приводит к так называемым «перекрестным помехам». Существование перекрестных помех значительно увеличивает сложность и стоимость калибровки, ограничивает улучшение точности квантовых вентилей, а также приводит к быстрому распространению ошибок между кубитами.
Кроме того, существуют такие проблемы, как перегрузка частот и упаковка. Преодоление этих трудностей требует долгосрочных усилий в области дизайна, материалов и процессов. Google потребовалось 5 лет, чтобы окончательно превратиться из Sycamore в Willow. Время декогеренции улучшено в 5 раз. Это огромное улучшение для такого чипа с широкими возможностями подключения и высокой степенью свободы управления. В сочетании с достижениями в области скорости и точности чтения два прорыва, упомянутые в начале, наконец-то стали возможными.
По сравнению с более ранними первым и вторым поколениями Sycamore, производительность декогеренции чипа Willow была значительно улучшена.
Что касается деталей чипа, то на данный момент мы знаем его только по фотографиям. В предыдущей статье, опубликованной на arXiv (Квантовая коррекция ошибок ниже порога кода поверхности), они упомянулиЭто связано с применением технологии «Гэп-инжиниринг».. Кроме того, на основе настраиваемых кубитов и настраиваемых соединителей Google разработала полный набор методов оптимизации, основанных на обучении и обучении данных, чтобы гарантировать, что все кубиты работают наилучшим образом. Чипы — это основная технология квантовых вычислений, и ведущие мировые команды, такие как Google и IBM, давно перестали публиковать свои технические подробности. К счастью, ведущая отечественная команда, которая долгое время занимается исследованиями сверхпроводящих квантовых компьютеров, все еще может вовремя принять меры и добиться хороших результатов.
Чип Willow, содержащий 105 кубитов
Но чего нам следует опасаться, так это того, что мы уделяем слишком много внимания некоторым «жестким показателям», таким как количество бит, точность вентиля и т. д., и легко недооцениваем некоторые показатели системного уровня и «мягкие индикаторы». Для сложных системных технологий, таких как квантовые вычисления, это чрезмерное упрощение и даже опасное с течением времени. Например, скорость чтения выпущенного на этот раз чипа Willow превышает 900 000 раз в секунду, что означает, что одно чтение выполняется за 1,1 микросекунды. Это требует не только превосходного дизайна чипа, но также требует сверхвысоких возможностей декодирования в реальном времени электронной системы измерения и управления. Google также недавно опубликовал статью высокого уровня, демонстрирующую превосходную производительность модели машинного обучения AlphaQubit в выявлении ошибок квантовых вычислений; IBM добилась прогресса в интеграции квантовых суперкомпьютеров, используя комбинацию 127-битной квантовой облачной платформы и Fuyue для достижения молекулярных вычислений кластеров FeS, содержащих 28 атомов. Таких примеров много. Как создать набор научных и современных методов оценки системы или методов эталонного тестирования, очень важно для продвижения инженерного и практического применения квантовых вычислений в будущем.
Список показателей производительности чипа Willow
Наконец, поздравляем команду Google Quantum AI. Хотя команда моей страны по сверхпроводящим квантовым вычислениям изо всех сил пытается наверстать упущенное, ей также следует проявить терпение. Этот год не может дождаться следующего года. Нет необходимости выпускать небольшой релиз каждые шесть месяцев и большой релиз каждый год. Жесткого выпуска чего-либо не существует. В конце концов, прошло пять лет с момента последнего релиза Google.
Написано |невиновный