Подпишитесь на наш телеграмм канал про спорт и заработок

Китайские учёные ещё раз окончательно развенчали миф о квантовом превосходстве системы Google Sycamore

В октябре 2019 коллектив ученых Google заявил, что им удалось экспериментально продемонстрировать квантовое превосходство. Они использовали квантовый 53-кубитный вычислитель Sycamore на сверхпроводниках для того, чтобы решить задачу генерации случайной строки. По утверждениям исследователей, решение этой задачи должно занять около 10 тысяч лет у самого мощного суперкомпьютера Summit, в то время как Sycamore справился с ней за 200 секунд. 

Понятно, что выбор задачи не был случайным — это одна из удобных задач для демонстрации мощности квантовых вычислителей. Тем не менее, даже при таких условиях, исследователи из IBM подвергли критике расчеты времени выполнения задачи на классическом компьютере. Буквально через месяц после новости об эксперименте Google, они опубликовали препринт статьи, в котором утверждали, что суперкомпьютеру может потребоваться несколько дней для решения задачи при правильном использовании памяти. Дело в том, что оценки времени ученых Google строились на том, что оперативной памяти суперкомпьютера окажется недостаточно и придется использовать алгоритмы, которые экономят память в ущерб времени работы. В IBM ученые предложили другой подход: использовать не только оперативную память, но и хранить нужную информацию на жестких дисках.

Несмотря на активные споры, ни одна из компаний не проводила предложенные вычисления в полном объеме — всх их предположения были только теоретическими. Решить задачу и разрешить спор удалось группе ученых из Института теоретической физики Китайской академии наук под руководством Пань Чжаня (Pan Zhang). Они предложили новый комбинированный алгоритм, с помощью которого смогли решить задачу генерации случайной строки на маленьком вычислительном кластере из 60 графических процессоров. Весь расчет занял у исследователей 5 дней, а итоговая точность значительно превысила ту, что получил квантовый вычислитель Google.

Квантовая схема Sycamore, как и любая другая, имеет два важных с точки зрения сложности задачи параметра — размерность или число кубитов и глубина или число слоев гейтов (операций над кубитами). Чем больше кубитов или чем больше операций над ними нужно осуществить, тем сложнее будет смоделировать такую цепь на классическом компьютере. Существует два основных метода их моделирования. Первый (метод Шредингера) хранит в памяти полный вектор состояния и использует знание вероятности каждой строки для генерации выборки строк. Поэтому вычислительная сложность такого метода линейно растет с увеличением глубины цепи. Эта зависимость важна для моделирования, потому что глубина цепи вычислителя Sycamore была равна 20. С другой стороны, зависимость сложности такого метода от числа кубитов оказывается экспоненциальной, поэтому смоделировать систему с большим числом кубитов оказывается затруднительно (в Sycamore их было 53).

Второй метод использует тензорные сети и отлично работает для неглубоких цепей с большим числом кубитов благодаря перегруппировке входных данных. Авторы решили объединить два метода для того, чтобы новый алгоритм мог моделировать цепи и с большим числом кубитов и с большой глубиной. Они использовали тензорную сеть, для того, чтобы разделить все кубиты на подгруппы, каждую из которых отдельно моделировали на разных графических процессорах. В результате число кубитов в каждой подгруппе становится достаточным, чтобы применить метод Шредингера и решить задачу за реальное время (значительно меньше 10 тысяч лет). Ученым потребовалось 60 графических процессоров NVIDIA Tesla V100 с 32 гигабайтами памяти и пять дней для генерации двух миллионов строк. Кроме того, качество распределения этих строк значительно превосходит соответствующий результат Sycamore.

После генерации большого числа случайных строк какие-то из них встречаются чаще, а какие-то реже. Поэтому можно говорить о вероятности генерации определенной строки. Зависимость вероятности от строки может иметь определенный вид. Результат задачи, которую решали авторы, в идеальном случае должен иметь распределение Портера-Томаса. Чем ближе реальное распределение к распределению Портера-Томаса, тем точнее и лучше оказывается решена задача. Обычно для оценки близости распределений используют величину их схожести (fidelity). Если она равна единице, то распределения полностью совпадают. В эксперименте Google схожесть итоговых распределений составила всего 0,002, а авторам новой работы удалось получить значение в 0,739.

Несмотря на то, что ученые сосредоточились на моделировании Sycamore, их алгоритм и подход в целом можно использовать для моделирования существующих и будущих квантовых систем. Они отмечают, что в отличие от квантового вычислителя Google, их алгоритм не масштабируем на большие глубины и числа кубитов одновременно.

Помимо задачи генерации случайной строки, физики активно исследуют и создают квантовые вычислители для решения задачи бозонного сэмплинга. Фотонный процессор группы китайских ученых уже с этой задачей, а другая команда новый способ для увеличения размерности задачи. Интересно, сможет ли разработанный классический алгоритм справиться с задачей бозонного сэмплинга быстрее, чем все существующие.

Для этого понадобилось всего 60 видеокарт NVIDIA.

Группа исследователей из пекинского Института теоретической физики Китайской академии наук повторила эксперимент компании Google по демонстрации квантового превосходства. На решение специфической задачи квантовая система Google Sycamore затратила 3 минуты и 20 секунд. Ту же самую задачу новый алгоритм китайских учёных без затей решил за 5 дней всего на 60 видеокартах компании NVIDIA. Квантового превосходства Google не случилось. Ждём нового.

О достижении квантового превосходства — способности быстро решать задачи, на которые классическим компьютерам требуется буквально вечность — Google сообщила в октябре 2019 года. По словам компании, её квантовая система Sycamore решила за 200 секунд задачу, на решение которой самому быстрому на тот момент суперкомпьютеру IBM Summit потребовалось бы 10 тыс. лет. В IBM оспорили это утверждение. Компания заявила, что улучшенный алгоритм мог бы решить квантовую задачу Google за 2,5 дня. Правда, компания не подтвердила эти слова практическим экспериментом.

Читайте еще:  Космический телескоп «Джеймс Уэбб» запечатлел галактику «Колесо Телеги» в созвездии Скульптора

Вместо IBM заявление Google о квантовом превосходстве опровергли учёные из Китая. Они разработали алгоритм, который на 60 видеокартах NVIDIA на графических процессорах V100 и A100 решил задачу Google примерно за пять дней. Тем самым, кстати, китайские исследователи показали, что суперкомпьютеры тоже не всегда самые лучшие инструменты, и важна не сама вычислительная мощность, а умение ею пользоваться.

В то же время необходимо отметить, что поиск доказательств квантового превосходства той или иной квантовой платформы имеет больше спортивный характер, чем прикладной (китайцы тоже играют в эту игру). Но это позволяет нащупать границу между классическими и квантовыми вычислениями, ведь полной ясности в прикладных возможностях последней всё ещё нет. Китайцы, к слову, в новой пятилетке планируют перевести поиск квантовых алгоритмов из теоретической плоскости в практическую. Посмотрим, что из этого получится.

В октябре 2019 коллектив ученых Google заявил, что им удалось экспериментально продемонстрировать квантовое превосходство.

Ква́нтовое превосхо́дство — способность квантовых вычислительных устройств решать проблемы, которые классические компьютеры практически не могут решить. 

Они использовали квантовый 53-кубитный вычислитель Sycamore на сверхпроводниках для того, чтобы решить задачу генерации случайной строки. По утверждениям исследователей, решение этой задачи должно занять около 10 тысяч лет у самого мощного суперкомпьютера Sammit, в то время как Sycamore

справился с ней за 3,5 минуты. 

Понятно, что выбор задачи не был случайным — это одна из удобных задач для демонстрации мощности квантовых вычислителей. Тем не менее, даже при таких условиях, исследователи из IBM подвергли критике расчеты времени выполнения задачи на классическом компьютере. Буквально через месяц после новости об эксперименте Google, они опубликовали препринт статьи, в котором утверждали, что суперкомпьютеру может потребоваться несколько дней для решения задачи при правильном использовании памяти.

Дело в том, что оценки времени ученых Google строились на том, что оперативной памяти суперкомпьютера окажется недостаточно и придется использовать алгоритмы, которые экономят память в ущерб времени работы. В IBM ученые предложили другой подход: использовать не только оперативную память, но и хранить нужную информацию на жестких дисках.

Несмотря на активные споры, ни одна из компаний не проводила предложенные вычисления в полном объеме — всех их предположения были только теоретическими. Решить задачу и разрешить спор удалось группе ученых из Института теоретической физики Китайской академии наук под руководством Пань Чжаня (Pan Zhang). Они предложили новый комбинированный алгоритм, с помощью которого смогли решить задачу генерации случайной строки на маленьком вычислительном кластере из 60 графических процессоров. Весь расчет занял у исследователей

5 дней

, а итоговая точность значительно превысила ту, что получил квантовый вычислитель Google.

Более подробно по ссылке 


 

IBM сомневалась в успехах России

Компания IBM в лице своего генерального директора 

Арвинда Кришны

 (Arvind Krishna) выказывала сомнения в возможностях России создать собственный квантовый компьютер. В конце февраля 2020 г. Кришна, возглавивший IBM в апреле 2020 г., заявил, что IBM опережает другие страны «на десятилетия, а то и больше».


В Китае создали настольный квантовый компьютер стоимостью $5000

Что в планах у создателей настольного квантового компьютера?

Поставки устройства, как мы уже сказали, запланированы на конец 2021 года. Одновременно с этим уже ведётся работа над системами, способными обрабатывать 3 или даже 4 кубита. Стартап не планирует сражаться на рынке сверхмощных вычислительных устройств с Google, IBM, Microsoft. На рынке квантовых компьютеров компания заняла свою нишу, образовательную. И намерены развиваться в ней. По мнению представителей Shenzhen SpinQ Technology, недорогие портативные квантовые компьютеры облегчат практический опыт обучения квантовым вычислениям на всех уровнях.

Китайский экзафлопсный суперкомпьютер окончательно похоронил миф о квантовом превосходстве Google

В пятницу старейшая и крупнейшая международная организация в области компьютеров — Ассоциация вычислительной техники (ACM) — присудила премию Гордона Белла команде разработчиков китайского суперкомпьютера Oceanlite на базе нового поколения чипов Sunway (ShenWei). Премия Гордона Белла ежегодно присуждается за выдающиеся достижения в области высокопроизводительных вычислений. Китайцы заслужили её за развенчание мифа Google о квантовом превосходстве.


Китайские учёные ещё раз окончательно развенчали миф о квантовом превосходстве системы Google Sycamore

По сообщениям китайских СМИ, суперкомпьютер Oceanlite с более чем 10 млн вычислительных ядер достиг производительности 4,4 Эфлопс. Согласно другим источникам, производительность системы достигает 4,4 Эфлопс при вычислениях половинной точностью (FP16). Устоявшаяся производительность Oceanlite на 42 млн ядер или более составляет 1,05 Эфлопс, а пиковая — 1,3 Эфлопс (в HPL). В любом случае экзафлопсный барьер в вычислениях преодолён Китаем на практике, к чему американцам ещё предстоит прийти в новом году или несколько позже.

Но лауреатом премии Гордона Белла система Oceanlite стала не за преодоление экзафлопсного барьера, хотя это само по себе революционное событие в истории человечества. Новый китайский суперкомпьютер окончательно похоронил миф Google о достижении 53-кубитовой системой Sycamore так называемого «квантового превосходства», когда обычные суперкомпьютеры на десятки тысяч и даже миллионы лет отстают от квантовых систем при решении определённых задач.

Ранее Google заявляла, что Sycamore решил специфическую задачу за 200 секунд, на что самому быстрому современному суперкомпьютеру IBM Summit потребовалось бы 10 000 лет. Китайская система Oceanlite, как сообщается, решила задачу Google за 304 секунды. Всё благодаря умелому использованию ресурсов суперкомпьютера, что и было отмечено жюри.


Источник изображения HPC Wire

Источник изображения: HPC Wire

Премии Гордона Белла за 2021 год за «достижение моделирования в реальном времени случайной квантовой цепи с помощью нового суперкомпьютера Sunway» удостоились 14 китайских учёных из Чжэцзянской лаборатории, Университета Цинхуа, Национального суперкомпьютерного центра в Уси и Шанхайского исследовательского центра квантовых наук. «Заявление Google о квантовом превосходстве, которое означает абсолютное преимущество технологии квантовых вычислений, больше не выдерживает критики», — заявил один из разработчиков Oceanlite.

Читайте еще:  Обзор часов Amazfit Bip 3 Pro: по цене браслета, только лучше

На выполнение самого известного алгоритма моделирования произвольной случайной квантовой схемы (семплинг выходного распределения случайных квантовых схем) в конфигурации 10×10(кубитов)×(1+40+1)(глубина) с устойчивой производительностью в 1,2 Эфлопс FP32 или 4,4 Эфлопс FP16 время выборки сократилось до 304 секунд, вместо заявленных Google 10 000 лет.

Генеральный директор Google Сундар Пичаи с одним из квантовых компьютеров. Октябрь 2019 года

Google / Reuters / Scanpix / LETA

Группа физика Джона Мартиниса из Google объявила на страницах журнала Nature о достижении «квантового превосходства» — ученым, по их словам, удалось с помощью нового устройства, названного Sycamore, решить задачу, недоступную даже для самых мощных «обычных» суперкомпьютеров. Результат, полученный физиками за 200 секунд, на суперкомпьютере Summit (текущем рекордсмене), пришлось бы ждать 10 тысяч лет. Однако в IBM, построившей Summit (и работающей над собственным квантовым компьютером), с этими расчетами категорически не согласны и считают заявления о достижении «превосходства» преждевременными. О чем поспорили технологические гиганты, почему статус квантового превосходства сам оказался неопределенным и что вообще такое квантовые компьютеры?

По странному стечению обстоятельств статья с описанием нового устройства группы Мартиниса выходила дважды. Еще 23 сентября она появилась на сайте NASA, однако была очень быстро удалена (ее копия сохранилась). Было ли это сделано по технической ошибке или же потому, что в препринте пришлось что-то срочно исправить, мы не знаем — комментариев на эту тему авторы не давали.

В любом случае, результат, который сообщается в новой статье — если, конечно, он соответствует действительности — уже сравнивают с первым полетом братьев Райт и с испытанием водородной бомбы. Речь идет о наступлении эры «квантового превосходства», появлении вычислителей принципиально иного типа, которые могут решать задачи, совершенно недоступные для самых современных классических ЭВМ. И даже если возможности нынешних суперкомпьютеров в Google сильно недооценивают — как на том настаивают специалисты IBM — новая работа Мартиниса и его коллег все равно достойна того, чтобы разобраться с тем, что вообще такое квантовые вычисления.

Что именно сделали в Google?

Инженеры калифорнийской компании создали новый процессор, получивший название Sycamore. Он состоит из 53 «кубитов» — так называют элементы, которые хранят квантовые биты информации. Это не рекорд, а уже стандартное на сегодняшний день число элементов. Предыдущая разработка, Bristlecone, анонсированная Google в марте 2018 года, имела целых 72 кубита — но, видимо, работала не так хорошо, как ожидали ее создатели.

Схема у Sycamore довольно простая. Кубиты в устройстве расположены в виде двумерной сетки. Каждый из элементов соединен с четырьмя другими с помощью особого вида «контактов», которые можно замыкать или размыкать — и таким образом контролировать, какие пары кубитов взаимодействуют, а какие — нет. Состояние каждого из них в конце эксперимента можно считывать независимо от остальных. Результат такого считывания — последовательность нулей и единиц длиной в 53 символа — и есть результат вычислений.

Что при этом, собственно говоря, вычисляется, объяснить значительно сложнее. Если совсем коротко, то речь идет о задаче, похожей на генерацию случайных чисел — в блоге Google ее описывают как «Hello world» квантово-компьютерного мира. Алгоритм подразумевает соединение кубитов в случайную последовательность переключателей (логических вентилей) и считывание полученного результата. Из-за взаимодействия кубитов друг с другом результат будет не случайным, а псевдослучайным — в нем будут наблюдаться вполне предсказуемые аномалии.

Здесь, собственно, и происходит главный поворот сюжета — дело в том, что предсказуемость этих аномалий

Нетрудно подсчитать, что такая система может находиться в 2⁵³ числе состояний. Причем поскольку это квантовая система, то находится она

во всех них одновременно

. Классический компьютер в своих расчетах вынужден перебирать все эти состояния последовательно.>

для вычисления того, как они должны выглядеть, требуется очень много ресурсов обычных компьютеров. И именно поэтому такая, почти бесполезная (в практическом смысле), задача была выбрана инженерами Google для демонстрации квантового превосходства. Поскольку целью эксперимента было не получение практического результата, а демонстрация принципа, авторы выбрали задачу, максимально сложную для обычных машин и максимально простую — для квантовых.

Квантовый компьютер Sycamore на 53 кубита

Как понять, что квантовый компьютер все правильно посчитал, когда его нельзя проверить?

Проверить вычисления, которые заняли бы 10 тысяч лет, действительно нельзя. Авторы новой статьи это тоже понимали, поэтому использовали в эксперименте подход от простого к сложному: сделали серию экспериментов в упрощенном виде, проверили их с помощью симуляции на обычном компьютере и только затем провели главный эксперимент. Результаты последнего эксперимента, кстати говоря, авторы специально сохранили на случай неожиданного появления алгоритма, способного радикально сократить время проверки.

Вычисления на Sycamore делали в трех вариантах — когда в устройстве были соединены все кубиты, когда оно было разделено на две не сообщающиеся друг с другом части, и когда эти части были соединены, но связь между ними была ограничена. Недоступным для симуляции был только первый, полносвязный вариант, а предсказуемые результаты в остальных случаях оказались в хорошем соответствии с теорией.

Читайте еще:  Презентация процессоров Ryzen 7000 и материнских плат с Socket AM5 состоится 15 сентября

О чем спор с IBM?

О том, можно ли называть результат эксперимента достижением квантового превосходства. В Google на этот вопрос однозначно отвечают — «да», в IBM призывают относиться к таким заявлениям с «большой долей скептицизма». Все, конечно, упирается в определение понятия, введенного в обиход в 2012 году Джоном Прескиллом.

По Прескиллу, говорить о квантовом превосходстве можно лишь тогда, когда с помощью квантового компьютера становится возможным «выполнять задачи выходящие за рамки того, что может быть достигнуто с обычными цифровыми компьютерами». Инженеры IBM подробно объясняют, что расчеты группы Мартиниса о 10 тысячах лет, которые требуются для симуляции квантовых вычислений на Sycamore, не учитывают важные особенности классических компьютеров и поэтому ошибочны. По собственным расчетам IBM, такая задача потребует всего два с половиной дня — это, конечно, больше, чем 200 секунд на Sycamore, но недостаточно для того, чтобы объявлять о достижении квантового превосходства в том значении, о котором говорил Джон Прескилл.

Здесь следует напомнить, что сама IBM активно занимается исследованиями в области квантовых вычислений, поэтому ее претензии к работе Мартиниса могут (по крайней мере частично) объясняться нежеланием отдавать пальму первенства Google.

Еще в 2017 году инженеры компании показали квантовый компьютер из 50 кубит, а в начале сентября (за пять дней до фальшстартовавшей публикации Google) «голубой гигант» анонсировал открытие центра вычислений, где будет доступен новый, 53-кубитный компьютер серии Q.

Впрочем, прогресс в три кубита за три года не должен вводить в заблуждение, — на сегодняшний день главная характеристика для таких устройств вовсе не количество элементов, а та точность, с которой они способны работать, время жизни квантового состояния внутри компьютера и

связность кубитов

<Связность?

В устройсте группы Мартиниса каждый кубит связан с 4 другими, соответственно, его связность — 4. Вычислитель Михаила Лукина, например, имеет связность 5.>

между собой — чем она больше, тем сложнее создать такое устройство, но одновременно и тем больше его возможности. Поэтому насколько конкурентноспособным окажется новый компьютер на фоне гугловского Sycamore, можно будет узнать, только увидев его в работе.

Как вообще устроены квантовые компьютеры? Чем они лучше обычных?

Квантовые компьютеры не лучше и не хуже классических. Они просто другие. Важных отличий много, но вот три принципиальных.

Во-первых, информация в них хранится в квантовой форме — то есть вместо единиц и нулей здесь инженеры имеют дело со смесью, «суперпозицией» обоих вариантов. Результат вычислений ученые получают, конечно, в виде обычных единиц и нулей, но вот на этапе вычислений в каждом кубите единицы и нули смешаны — и это состояние важно уметь сохранять, потому что именно в нем сила таких устройств.

Во-вторых, в квантовых компьютерах память и процессор не отделены друг от друга — кубиты одновременно взаимодействуют друг с другом и хранят в себе информацию.

В-третьих, квантовые компьютеры не могут заменить обычные в быту. Их предназначение прежде всего касается моделирования квантовых систем, (например, изучение взаимодействия лекарств с другими молекулами в организме), создания новых материалов (например, сверхпроводников) и машинного обучения (где требуется длительный перебор вариантов).

Все квантовые вычислители устроены на принципиальном уровне довольно просто. Они состоят из кубитов и связей между ними. Кубиты могут быть очень разными — квантовую информацию можно хранить и в заряженных ионах, и в нейтральных атомах, зафиксированных в специальной лазерной ловушке, и даже в дефектах внутри алмазов. В данном случае группа Мартиниса использовала вариант, который и внешне, и в плане возможностей будущего производства наиболее близок к обычным транзисторам — это чип, состоящий из сверхпроводящих антенн, погруженный в специальный холодильник.

Информацию в кубит загружают с помощью магнитного поля или лазера, считывают так же. При вычислении информацию загружают, дальше квантовую систему предоставляют саму себе, кубиты как-то взаимодействуют между собой и в конце, во время измерения, приходят в обычное классическое состояние: то, что было смесью нулей и единиц, «коллапсирует» в нули или единицы.

Лекция Джона Мартиниса о стратегии достижения квантового превосходства

Самое сложное в создании квантовых компьютеров — собрать из этих простых элементов систему логических переключателей («вентилей» вроде И, НЕ и ИЛИ) которые предсказуемо взаимодействовали бы между собой, и в которой переход кубитов из одного состояния в другое выполнял бы какое-то полезное и понятное вычисление.

Если это удастся сделать, то «квантовость» системы начинает работать на инженеров — поскольку кубиты могут одновременно находиться во всех возможных состояниях, то квантовый компьютер фактически одновременно перебирает все возможные варианты решения задачи. И если хотя бы один из них дает нужный результат — ученые могут его использовать.

Александр Ершов

Оцените статью
( Пока оценок нет )