Google และ IBM Clash Over Milestone Quantum Computing Experiment

Google และ IBM Clash Over Milestone Quantum Computing Experiment

เครดิตฟรี

เมื่อเช้านี้ นักวิจัยของ Google ได้สร้างประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์อย่างเป็นทางการ หรือไม่ขึ้นอยู่กับว่าคุณถามใคร
ยักษ์ใหญ่ด้านเทคโนโลยีประกาศว่าได้บรรลุหลักชัยที่รอคอยมานานซึ่งเรียกว่า “อำนาจสูงสุดของควอนตัม” ซึ่งเป็นช่วงเวลาของลุ่มน้ำที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำการคำนวณที่ไม่มีคอมพิวเตอร์ธรรมดาใดเทียบได้ ในบทความฉบับใหม่ในNatureนั้น Google ได้บรรยายถึงความสามารถดังกล่าวที่ดำเนินการบนเครื่องควอนตัมอันล้ำสมัย ซึ่งมีชื่อรหัสว่า “Sycamore” แม้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะยังไม่ถึงจุดที่สามารถทำสิ่งที่มีประโยชน์ได้ แต่ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความได้เปรียบโดยธรรมชาติสำหรับบางงาน

สล็อต

ทว่าในการคัดค้านเป็นเวลา 11 ชั่วโมง คู่แข่งสำคัญด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Google ยืนยันว่ายังไม่ข้ามเกณฑ์สูงสุดของควอนตัม ในบทความที่โพสต์ออนไลน์เมื่อวันจันทร์ IBM ได้แสดงหลักฐานว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลกสามารถก้าวให้ทันกับเครื่องควอนตัมใหม่ของ Google ได้ ด้วยเหตุนี้ IBM จึงโต้แย้งว่าคำกล่าวอ้างของ Google ควรได้รับ “ด้วยความสงสัยอย่างมาก”
เหตุใดจึงเกิดความสับสนทั้งหมด? เหตุการณ์สำคัญๆ ควรจะเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่และชัดเจนไม่ใช่หรือ เหตุการณ์นี้เตือนเราว่าไม่ใช่การปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นในขณะที่เสียงฟ้าร้อง – และอำนาจสูงสุดของควอนตัมนั้นเกี่ยวข้องกับความแตกต่างกันเล็กน้อยมากกว่าที่จะเป็นพาดหัวข่าว
คอมพิวเตอร์ควอนตัมอยู่ภายใต้การพัฒนามานานหลายทศวรรษ ในขณะที่คอมพิวเตอร์ธรรมดาหรือคลาสสิกทำการคำนวณโดยใช้บิต — สตริงที่ 1 และ 0 — คอมพิวเตอร์ควอนตัมเข้ารหัสข้อมูลโดยใช้ควอนตัมบิตหรือ qubits ซึ่งทำงานตามกฎแปลก ๆ ของกลศาสตร์ควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมตั้งเป้าที่จะใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเหล่านั้นเพื่อทำการคำนวณอย่างรวดเร็วเกินกว่าความสามารถของคอมพิวเตอร์ทั่วไป แต่เป็นเวลาหลายปีแล้วที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมพยายามที่จะจับคู่พลังการคำนวณของเครื่องคิดเลขแบบใช้มือถือ
ในปี 2012 John Preskillนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ California Institute of Technology ได้บัญญัติวลี “quantum supremacy”เพื่ออธิบายช่วงเวลาที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแซงหน้าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดได้ในที่สุด คำศัพท์ติดตัว แต่ผู้เชี่ยวชาญกลับมีแนวคิดที่แตกต่างกันเกี่ยวกับความหมาย
และนั่นคือวิธีที่คุณจะลงเอยในสถานการณ์ที่ Google กล่าวว่าได้บรรลุอำนาจสูงสุดของควอนตัม แต่ IBM กล่าวว่าไม่เป็นเช่นนั้น
ก่อนที่จะอธิบายว่าอำนาจสูงสุดของควอนตัมหมายถึงอะไร คุณควรชี้แจงว่าไม่ได้หมายความว่าอย่างไร: ในขณะที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำการคำนวณที่เป็นไปไม่ได้สำหรับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก นั่นเป็นเพราะว่าในความเป็นจริงแล้ว คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกสามารถคำนวณใดๆ ก็ตามที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำได้ ในที่สุด
“ให้เวลาเพียงพอ … คอมพิวเตอร์คลาสสิกและคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาเดียวกันได้” Thomas Wongจาก Creighton University กล่าว
แต่ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่ตีความอำนาจสูงสุดของควอนตัมเพื่อหมายถึงช่วงเวลาที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำการคำนวณที่สำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติทั้งหมด คอมพิวเตอร์คลาสสิกไม่สามารถจับคู่ได้ นี่คือจุดสำคัญของความขัดแย้งระหว่าง Google และ IBM เพราะ “ในทางปฏิบัติ” เป็นแนวคิดที่คลุมเครือ
ในเอกสารNatureของพวกเขาGoogle อ้างว่าโปรเซสเซอร์ Sycamore ของพวกเขาใช้เวลา 200 วินาทีในการคำนวณว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดในโลกซึ่งเป็นเครื่อง Summit ของ IBM จะต้องใช้เวลา 10,000 ปีในการจับคู่ นั่นไม่ใช่กรอบเวลาที่ใช้ได้จริง แต่ตอนนี้ IBM โต้แย้งว่า Summit ซึ่งเติมพื้นที่ขนาดของสนามบาสเก็ตบอลสองสนามที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ในรัฐเทนเนสซี สามารถคำนวณได้ภายใน 2.5 วัน
Google ยืนตามประมาณการ 10,000 ปีของพวกเขา แม้ว่าผู้เชี่ยวชาญด้านคอมพิวเตอร์หลายคนที่สัมภาษณ์สำหรับบทความนี้กล่าวว่า IBM น่าจะถูกต้องในประเด็นนั้น “คำกล่าวอ้างของ IBM ดูเหมือนจะเป็นไปได้สำหรับฉัน” สก็อตต์ แอรอนสันแห่งมหาวิทยาลัยเทกซัส ออสตินส่งอีเมล
ถ้าสมมติว่าถูกต้อง 2.5 วันเป็นเวลาที่ใช้งานได้จริงหรือไม่ บางทีมันอาจจะเป็นงานบางอย่าง แต่ไม่ใช่สำหรับคนอื่นแน่นอน ด้วยเหตุผลดังกล่าว เมื่อนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์พูดถึงอำนาจสูงสุดของควอนตัม พวกเขามักจะมีแนวคิดที่แม่นยำกว่าอยู่ในใจ
นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์แยกแยะระหว่างโปรแกรมที่ทำงานในเวลาพหุนาม “เร็ว” และเวลาชี้แจง “ช้า” โปรแกรมที่รวดเร็วยังคงเร็วแม้ว่าคุณจะขอให้พวกเขาเคี้ยวอาหารจำนวนมาก โปรแกรมที่ช้าจะลดความเร็วลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากขนาดของปัญหาที่คุณขอให้แก้ไขนั้นใหญ่ขึ้น
ในรายงานฉบับใหม่นี้ Google ได้แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาด 53 คิวบิตดำเนินการคำนวณเฉพาะทาง (เรียกว่า “สุ่มตัวอย่างวงจรสุ่ม” – ดูรายละเอียดเพิ่มเติมจากผู้อธิบายล่าสุดของเรา) ในเวลาพหุนามที่รวดเร็ว ในขณะเดียวกัน ก็ไม่มีหลักฐานว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิกใดๆ สามารถทำงานเดียวกันได้ดีกว่าเวลาเอ็กซ์โปเนนเชียลที่ช้า นั่นสำคัญกว่ากรอบเวลาที่เกี่ยวข้องมากWilliam Feffermanจาก University of Chicago กล่าว ไม่ว่าจะเป็น 2.5 วันหรือ 10,000 ปี
“การประมาณเวลาจริงไม่สำคัญมากนัก” เฟฟเฟอร์แมนกล่าว “ฉันไม่คิดว่า [เอกสารของ IBM] จะทำให้การอ้างสิทธิ์หลักใด ๆ ที่ Google ทำเป็นโมฆะ นอกเหนือไปจากการประมาณการ 10,000 ปี”

สล็อตออนไลน์

สิ่งสำคัญคือเครื่องของ Google กำลังแก้ปัญหาการคำนวณด้วยวิธีที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงจากคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ความแตกต่างนี้หมายความว่าทุกครั้งที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมของมันเติบโตขึ้นแม้แต่ qubit เดียว คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะต้องเพิ่มขนาดเป็นสองเท่าเพื่อให้ทัน เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความเร็วถึง 70 คิวบิต ซึ่งมีแนวโน้มว่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะต้องใช้พื้นที่ของเมืองเพื่อให้ทัน
Aaronson – ยืมการเปรียบเทียบจากเพื่อน – กล่าวว่าความสัมพันธ์ระหว่างคอมพิวเตอร์คลาสสิกและควอนตัมหลังจากการประกาศของ Google นั้นเหมือนกับความสัมพันธ์ในปี 1990 ระหว่างแชมป์หมากรุก Garry Kasparov และซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Deep Blue ของ IBM คาสปารอฟสามารถตามทันได้นิดหน่อย แต่เห็นได้ชัดว่าอีกไม่นานเขาจะต้องเอาชนะศัตรูอัลกอริธึมอย่างสิ้นหวัง
“คาสปารอฟสามารถยืนหยัดอย่างกล้าหาญได้ในช่วง ‘ยุคหัวเลี้ยวหัวต่อ’ ที่อาจกินเวลาหนึ่งปีหรือสองปี” อารอนสันกล่าว “แต่พื้นฐานของสถานการณ์คือการที่เขาดื่มอวยพร”
Bob Willett นักวิทยาศาสตร์จาก Bell Labs ใน Murray Hill รัฐนิวเจอร์ซี เมื่อมองเข้าไปในตู้ที่อยากรู้อยากเห็นในวันฤดูใบไม้ผลิที่ผ่านมา หยิบคริสตัลสีดำขนาดเล็กออกจากชั้นวางอย่างว่องไวและเลื่อนไปใต้กล้องจุลทรรศน์ “นี่เป็นสิ่งที่ดี” เขาสัญญา
รูปแบบของตัวนำวงจรแผ่ออกไปด้านนอกบนพื้นผิวของคริสตัลเหมือนรังสีของดวงอาทิตย์สี่เหลี่ยม ผลิตภัณฑ์ของการทดลองและข้อผิดพลาดหลายทศวรรษโดยWillettและผู้ทำงานร่วมกันของเขา มันทำมาจากเกล็ดแกลเลียม arsenide ที่บริสุทธิ์มาก เขากล่าวว่าอิเล็กตรอนภายในสามารถรับรู้ถึงการมีอยู่ของกันและกันในระยะทางอันกว้างใหญ่ไพศาล เมื่อคริสตัลถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและทำให้เย็นลงเหลือเพียงเศษเสี้ยวของดีกรี อิเล็กตรอนจะรวมตัวกัน ก่อตัวเป็นสถานะควอนตัมที่แปลกประหลาดซึ่งอาจเป็นการสร้างคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังเกินจินตนาการ
Willet พยายามที่จะควบคุมสถานะนั้นเพื่อสร้าง “topological qubit” ซึ่งเป็นอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่คล้ายคลึงกับบิตที่ประกอบเป็นคอมพิวเตอร์ธรรมดา ซึ่งซับซ้อนและทรงพลังกว่ามากเท่านั้น Qubits เป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ไม่ได้รับการพัฒนาในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ไม่เหมือนกับบิตทั่วไป พลังของ qubits เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณด้วยจำนวนของมัน สำหรับงานจำนวนมาก คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ค่อนข้างเล็ก ซึ่งสร้างขึ้นจาก 100 คิวบิต จะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดในโลก และนำไปสู่พลังการประมวลผลระดับใหม่สำหรับมนุษยชาติ
นักวิทยาศาสตร์ได้สร้าง qubits ขึ้นแล้ว แต่ถ้ารุ่นทอพอโลยีของ Willett ซึ่งจะเก็บข้อมูลในเส้นทางที่ถักเปียของอนุภาคได้ตระหนักว่ามีศักยภาพที่จะมีเสถียรภาพมากขึ้นกว่าต้นแบบที่มีอยู่ ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่าอาจกลายเป็นรากฐานที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเต็มรูปแบบ
กุญแจสำคัญในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือการเพิ่มจำนวนคิวบิตที่สามารถเชื่อมโยงเข้าด้วยกันได้ แม้จะมีการลงทุนทรัพยากรจำนวนมากในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา แต่ความเปราะบางที่สุดของ qubits ที่มีอยู่ได้จำกัดความพยายามในการสร้างเครือข่ายและทำให้เกิดความไม่แน่นอนว่าเทคโนโลยีจะเกิดขึ้นจริงหรือไม่ อย่างไรก็ตาม โทโพโลยี qubits จะให้ข้อได้เปรียบพื้นฐาน: แม้ว่าพวกเขาจะพึ่งพาสถานะควอนตัมที่หายากและจู้จี้จุกจิกเป็นพิเศษ (ซึ่งยากต่อการคิดในใจว่าในปัจจุบันมีเพียง Willett เท่านั้นที่สามารถทำได้อย่างสม่ำเสมอ) เมื่อเกิดขึ้นแล้ว พวกเขาจะประพฤติตนในทางทฤษฎีอย่างแข็งแกร่ง นอต — ทนต่อการรบกวนที่ทำลายคุณสมบัติที่ละเอียดอ่อนของ qubit ทุกชนิด

jumboslot

“จากมุมมองของนักทฤษฎี การคำนวณเชิงทอพอโลยีเป็นวิธีที่สง่างามที่สุดในการบรรลุการคำนวณควอนตัมที่มีประสิทธิภาพ” จอห์น เพรสคิล ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและผู้อำนวยการสถาบันข้อมูลและสสารควอนตัมแห่งแคลิฟอร์เนียสถาบันเทคโนโลยีกล่าว “แต่คนที่สนใจในการทำสิ่งที่เกี่ยวกับทอพอโลยีรู้สึกท้อแท้และตัดสินใจว่ามันจะยากอย่างยิ่ง – ยกเว้นวิลเล็ตต์”
วิลเล็ตต์ ชายร่างสูงผู้ใจดีวัย 57 ปี ทำงานเจ็ดวันต่อสัปดาห์ แม้ในวันหยุด ในเขาวงกตอันมืดมิดของ Bell Labs ไล่ตามเป้าหมายด้วยความทุ่มเทที่ไม่ธรรมดา ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเขาได้รวบรวมหลักฐานที่เพิ่มขึ้นผลึกแกลเลียมอาร์เซไนด์ที่บริสุทธิ์เป็นพิเศษและเย็นจัดเป็นพิเศษทำให้เกิดอนุภาคแปลก ๆ ที่เรียกว่า “non-abelian anyons” ซึ่งจำเป็นสำหรับ qubit เชิงทอพอโลยี คุณภาพของข้อมูลของ Willett และการสนับสนุนจากทฤษฎีและการคำนวณเชิงตัวเลข ทำให้ผู้เชี่ยวชาญภายนอกหลายคนเชื่อว่าผลกระทบที่เขาเห็นนั้นเป็นของจริง อย่างไรก็ตาม การทดลองของ Willett นั้นยากมากจนไม่มีห้องทดลองอื่นใดที่สามารถทำซ้ำได้ โดยปล่อยให้มีความเป็นไปได้ที่การสังเกตอันน่าทึ่งของเขาเกี่ยวกับผู้ที่ไม่ใช่ชาวอาหรับเป็นเพียงสิ่งประดิษฐ์ของการตั้งค่าหรือเทคนิคเฉพาะของเขา อย่างไรก็ตาม วิลเล็ตต์ได้ตัดสินใจที่จะดำเนินการ และเพิ่งเริ่มสร้างสิ่งที่อาจเป็นคิวบิตทอพอโลยีแรกของโลก
“ฉันคิดว่ามีโอกาสสูงที่จะประสบความสำเร็จ” เชตัน นายัคนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ Microsoft Research Station Q และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา กล่าวและร่วมมือกับวิลเล็ตต์ “เราได้คิดถึงสิ่งต่างๆ มามากเท่าที่เราจะคิดได้ และไม่เห็นสิ่งใดที่ทำลายข้อตกลง”
ย้อนกลับไปในห้องทดลองของเขา Willett ชี้ไปที่ภาพถ่ายระยะใกล้ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ตรึงไว้กับผนังเหนือคอมพิวเตอร์ของเขา “นั่นสินะครับ” เขาพูดพร้อมรอยยิ้ม วงจรที่คดเคี้ยวไปรอบๆ พื้นผิวของผลึกแกลเลียม อาร์เซไนด์ ล้อมรอบห้องสองห้อง ซึ่งหากทุกอย่างเป็นไปด้วยดี ในที่สุดก็จะเป็นโฮสต์ให้กับคู่อื่นๆ ที่ไม่ใช่ชาวอาเบเลียน “มีคนขี้โกงที่นี่ ที่นี่ และที่นี่” เขาพูด เคาะข้อบกพร่องในรูปแบบ “แต่เรามีขั้นตอนทั้งหมดในการทำสิ่งนี้แล้ว”
แนวคิดของคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาศัยความสามารถที่แปลกประหลาดและไม่เหมือนใครของชาวโลกควอนตัม ตั้งแต่อิเล็กตรอนและโฟตอนไปจนถึงคนที่ไม่ใช่ชาวอาเบเลียน กลายเป็นหลายสิ่งพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนสามารถหมุนได้ทั้งตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกาพร้อมกัน โฟตอนสามารถโพลาไรซ์ได้ตามแกนสองแกน ทรานซิสเตอร์ที่ทำหน้าที่เป็นบิตธรรมดาสามารถอยู่ในหนึ่งในสองสถานะเท่านั้น (แสดงเป็น 0 หรือ 1) แต่ qubits ที่ทำจากอิเล็กตรอนหมุนหรือโฟตอนโพลาไรซ์เป็นส่วนผสมหรือ “การซ้อนทับ” ของ 0 และ 1 ที่มีอยู่ในทั้งสองสถานะพร้อมกัน และในขณะที่ความจุของคอมพิวเตอร์ธรรมดาเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามจำนวนบิต เมื่อจำนวน qubits เพิ่มขึ้น การทับซ้อนของคอมพิวเตอร์จะพันกัน: ความเป็นไปได้แต่ละอย่างรวมกันเพื่อสร้างพื้นที่ความเป็นไปได้ที่เพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณสำหรับสถานะของคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยรวม นักฟิสิกส์ได้ค้นพบอัลกอริธึมควอนตัมที่จะทำงานบนเครือข่าย qubits ที่มีหลายแง่มุมด้วยความเร็วที่ทำลายสถิติสำหรับงานต่างๆ รวมถึงการค้นหาฐานข้อมูล การทำลายโค้ด และการจำลองทางฟิสิกส์ระดับสูง
[NPC5]ปัญหาของการทับซ้อนของอิเล็กตรอนหมุนวน โฟตอนโพลาไรซ์ หรืออนุภาคอื่น ๆ ส่วนใหญ่ที่อาจทำหน้าที่เป็น qubits ก็คือพวกมันไม่เสถียรอย่างมาก แปรงแสงที่มีสภาพแวดล้อมยุบการทับซ้อนของ qubit บังคับให้อยู่ในสถานะที่แน่นอนที่ 0 หรือ 1 เอฟเฟกต์นี้เรียกว่า “decoherence” สิ้นสุดการคำนวณควอนตัมทันที ในการต่อสู้กับการถอดรหัส คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำจากอิเล็กตรอนที่พันกันนั้นต้องการข้อมูลแต่ละหน่วยร่วมกันระหว่างเครือข่ายที่ซับซ้อนของ qubits จำนวนมากที่จัดเรียงอย่างชาญฉลาดเพื่อป้องกันการรบกวนสิ่งแวดล้อมของตัวหนึ่งซึ่งนำไปสู่การล่มสลายของพวกมันทั้งหมด “นั่นทำให้คุณมีค่าใช้จ่ายสูง” Preskill กล่าว “ถ้าคุณต้องการ 100 qubits เชิงตรรกะ” — สิ่งที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณ — “คุณต้องการนับหมื่นของ qubits ทางกายภาพในคอมพิวเตอร์”