Binubuksan ng IBM ang Quantum Utility Gamit ang 127-Qubit nito "Agila" Quantum Processing Unit

Nagawa ng isang pangkat ng mga mananaliksik ng IBM na kasama ng UC Berkeley at Purdue University na kumuha ng kapaki-pakinabang na quantum computing mula sa isa sa NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum) na mga computer ngayon. Ginamit ng team ang isa sa pinakabagong Quantum Processing Units (QPU) ng IBM, Eagle, para magsagawa ng mga kalkulasyon na inaasahang mabibigo sa gitna ng qubit noise. Gayunpaman, gamit ang isang matalinong mekanismo ng feedback sa pagitan ng 127-qubit Eagle QPU ng IBM at mga supercomputer na may UC Berkeley at Purdue University, napatunayan ng IBM na maaari itong makakuha ng mga kapaki-pakinabang na resulta mula sa isang maingay na QPU. Bukas ang pinto sa quantum utility – at mas maaga tayo kaysa sa inaasahan.

Ang aming mga quantum computer sa panahon ng NISQ ay nakatali sa aming mga karaniwang supercomputer – ang pinakamakapangyarihang mga makina na kilala sa sangkatauhan, na may kakayahang trilyong operasyon bawat segundo. Kahit na makapangyarihan sila, ito ay isang unibersal na katotohanan na kapag ang dalawang paksa ay pinagsama-sama, sila ay kumikilos lamang nang mabilis hangga’t pinapayagan ng pinakamabagal sa kanila. At ang supercomputer ay nababanat nang manipis para sa eksperimentong ito, gamit ang mga advanced na diskarte upang makasabay sa pagiging kumplikado ng simulation.

Nang ang simulation ng qubits ay naging masyadong kumplikado para sa supercomputer na “brute force” lamang ang mga resulta, ang mga mananaliksik sa UC Berkeley ay nagsimulang gumamit ng mga compression algorithm – tensor network states. Ang mga tensor network states (matrixes) na ito ay mga data cube, kung saan ang mga numerong bumubuo sa mga kalkulasyon ay kinakatawan sa isang three-dimensional na espasyo (x, y, z) na may kakayahang pangasiwaan ang mas kumplikadong mga relasyon at volume ng impormasyon kaysa sa isang mas karaniwang 2D na solusyon. – isipin ang isang simpleng Excel 2D table (x, y) at ang marami pang row na kailangan mong hanapin sa configuration na iyon kung kailangan mong isaalang-alang ang isa pang plane of information (z).

“Ang pinakabuod ng trabaho ay magagamit na natin ngayon ang lahat ng 127 qubit ng Eagle upang magpatakbo ng medyo malaki at malalim na circuit – at ang mga numero ay lumabas nang tama,”

Kristen Temme

Nangangahulugan ito na mayroon nang ilang utility na maaaring makuha mula sa mga NISQ quantum computer – may mga bagay kung saan makakapagdulot sila ng mga resulta na hindi maaabot – hindi bababa sa mga tuntunin ng oras at pera – sa mga karaniwang supercomputer, o kung saan ang mga hoop ay kinakailangan upang makuha ang mga resultang iyon ay gagawing mas malaki ang pagsisikap kaysa pakinabang.

(Kredito ng larawan: IBM Quantum)

Mayroon na ngayong pabalik-balik na nangyayari sa pagitan ng mga solusyon na ibinigay ng aming mga NISQ-era na quantum computer na nagtatampok ng ilang daang qubits (pinakamahusay), at ang aming karaniwang mga supercomputer na nagtatampok ng trilyong transistor. Habang dumarami ang mga magagamit, kapaki-pakinabang na qubit, ang mga circuit na may lalim na mas malalim na 60 na ginamit sa papel ay tuklasin. Habang tumataas ang bilang at kalidad ng mga qubit, kakailanganin din ng mga karaniwang supercomputer na makasabay, mag-crunch ng mga numero at mag-verify ng malalim na pila ng mga resulta ng quantum computing hangga’t maaari.

“Agad nitong itinuturo ang pangangailangan para sa mga bagong klasikal na pamamaraan,” sabi ni Anand. At tinitingnan na nila ang mga pamamaraang iyon. “Ngayon, tinatanong namin kung maaari naming kunin ang parehong konsepto ng pagpapagaan ng error at ilapat ito sa mga klasikal na tensor network simulation upang makita kung makakakuha kami ng mas mahusay na mga klasikal na resulta.”

Sa totoo lang, mas tumpak mong mahulaan kung paano umuusbong ang ingay sa iyong quantum system, mas alam mo kung paano nilalason ng ingay na iyon ang mga tamang resulta. Ang paraan ng pag-aaral mo kung paano hulaan ang isang bagay ay simpleng pag-udyok dito at pagmasdan kung ano ang nangyayari nang sapat na beses na maaari mong matukoy ang mga lever na gumagawa nito.

Ang ilan sa mga lever na ito ay may kinalaman sa kung paano at kailan mo i-activate ang iyong mga qubit (ang ilang mga circuit ay gumagamit ng higit pang mga qubit, ang iba ay nangangailangan ng mga qubit na iyon na ayusin sa higit pa o mas kaunting mga quantum gate, na may mas kumplikadong mga pagkakasalubong sa pagitan ng ilang mga qubit… ) Ang mga mananaliksik ng IBM ay kailangang matuto kung gaano kalaki at anong ingay ang naidulot ng paglipat ng bawat isa sa mga knobs na ito sa loob ng 127-qubit Quantum Eagle nito – dahil kung alam mo kung paano magpasok ng ingay, sisimulan mo itong kontrolin. Kung nauunawaan mo kung paano ito lumilitaw sa unang lugar, maaari mong isaalang-alang ito, na nagpapahintulot sa iyo na subukan at pigilan o samantalahin ang nangyayaring iyon.

Ngunit kung nagpapatakbo ka lamang ng mga kalkulasyon sa iyong maingay na computer, paano mo malalaman na ang mga kalkulasyon na iyon ay tama? Doon pumapasok ang mga karaniwang supercomputer – at ang paghahanap ng ground truth.

Ang koponan ng IBM ay nakakuha ng access sa dalawang supercomputer – Berkeley National Lab’s National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) at sa NSF-funded Anvil supercomputer sa Purdue University. Kakalkulahin ng mga supercomputer na ito ang parehong mga quantum simulation na pinatakbo ng IBM sa kanyang 127-qubit Eagle QPU – hinati-hati kung kinakailangan sa loob ng mga ito, at sa mga paraan na magpapahintulot sa paghahambing ng parehong mga resulta mula sa mga supercomputer. Ngayon, mayroon kang ground truth – ang solusyon na alam mong tama, naabot at na-verify ng mga karaniwang supercomputer. Ngayon ang ilaw ay berde upang ihambing ang iyong maingay na mga resulta sa mga tama.

“Tinanong ng IBM ang aming grupo kung kami ay interesado sa pagsasagawa ng proyekto, alam na ang aming grupo ay nagdadalubhasa sa mga computational tool na kinakailangan para sa ganitong uri ng eksperimento,” sabi ng nagtapos na mananaliksik na si Sajant Anand sa UC Berkeley. “Akala ko ito ay isang kawili-wiling proyekto, sa una, ngunit hindi ko inaasahan na ang mga resulta ay magiging katulad ng kanilang ginawa.”

Pagkatapos, ito ay “lamang” sa paglutas ng isang “hanapin ang mga pagkakaiba” na palaisipan: sa sandaling napagtanto mo kung gaano ka eksakto ang presensya ng ingay na nabaluktot ang mga resulta, maaari mong tumbasan ang presensya nito, at mapupulot ang parehong “katotohanan” na naroroon sa karaniwang mga resulta ng supercomputers. Tinatawag ng IBM ang pamamaraang ito na Zero Noise Extrapolation (ZNE).

Ito ay isang symbiotic na proseso: ang IBM team na responsable para sa papel ay naghahanap din na dalhin ang mga diskarte sa pagpapagaan ng error nito – at katumbas ng Zero Noise Extrapolation – sa mga karaniwang supercomputer. Sa pagitan ng pagtaas ng raw power mula sa pinakahuling pag-unlad ng hardware at pag-optimize ng algorithm at technique (gaya ng paggamit ng mga smart compression algorithm), lalago ang raw supercomputing power, na magbibigay-daan sa amin na i-verify ang aming gawain sa quantum computing nang kaunti pa sa panahon ng post -NISQ quantum computer at ang kanilang deployment ng quantum error correction.

Iyon ang sandali kung saan naputol ang lubid, at ang kabuuan ay magiging medyo libre sa pangangailangang i-verify ang mga resulta nito gamit ang mga klasikal na pamamaraan. Iyan ang nagpapabagal sa quantum computing down (sa kabila ng kawalan ng error correction na magpapahintulot sa mga qubit na gawin ang mga kalkulasyon mismo, siyempre).

Sa isang pakikipanayam sa Tom’s Hardware para sa artikulong ito, sinabi ni Dr. Abhinav Kandala, manager sa Quantum Capabilities and Demonstration sa IBM Quantum, na maganda ang pagkakalagay nito:

“… Kahit na mayroon kang maingay na bersyon ng estadong iyon, masusukat mo kung anong mga katangian ng estadong iyon ang magiging kapag walang ingay.”

Dr. Abhinav Kandala

Maliban sa quantum, maaari mong palakihin ang pagiging kumplikado ng problema nang higit pa sa kung ano ang maaaring pangasiwaan ng mga supercomputer – at dahil na-modelo mo nang tama kung paano nakakaapekto ang ingay sa system, maaari mo pa ring isagawa ang mga hakbang sa paglilinis sa iyong maingay na mga resulta… nang may kaunting kumpiyansa. Kung mas malayo ka sa mga resultang “conclusively truthful” na ibinibigay ng mga karaniwang supercomputer, mas malamang na magpasok ka ng mga nakamamatay na error sa mga kalkulasyon na hindi (at hindi maaaring) ibigay sa iyong modelo ng ingay.

Ngunit habang mapagkakatiwalaan mo ang iyong mga resulta, aktwal mong naihatid ang mga kakayahan sa pagpoproseso ng quantum na kapaki-pakinabang, at higit pa sa kung ano ang maaaring makamit gamit ang kasalukuyang-gen, classical na Turing machine tulad ng supercomputer sa Berkeley. Lampas din ito sa naisip na posible sa ating kasalukuyang NISQ (Noisy Intermediate Stage Quantum) -era na mga computer. At nagkataon lang na maraming mga algorithm na idinisenyo para sa malapit-matagalang mga quantum device ay maaaring magkasya sa loob ng 127 qubits sa Eagle QPU ng IBM, na maaaring maghatid ng mga lalim ng circuit na lampas sa 60 hakbang na “halaga” ng mga quantum gate.

(Kredito ng larawan: IBM Quantum)

Pagkatapos ay idinagdag ni Dr. Kandala: “Ang ginagawa namin sa pagpapagaan ng error na nagpapatakbo ng mga short depth na quantum circuit at sinusukat ang tinatawag na expectation values ​​na sumusukat sa mga katangian ng estado hindi lang ito ang gusto ng mga tao na gawin sa mga quantum computers. ibig sabihin upang i-unlock ang buong potensyal na isa ay nangangailangan ng quantum error correction at ang umiiral na pakiramdam ay na para sa anumang kapaki-pakinabang na gawin ay maa-access lang iyon kapag mayroon kang error na naitama ang quantum computer

“Ang kritikal na piraso ay magagawang manipulahin ang ingay na lampas sa pag-uunat ng pulso,” sabi ni Dr. Kandala. “Kapag nagsimula na itong gumana, maaari kaming gumawa ng mas kumplikadong mga extrapolasyon na maaaring sugpuin ang bias mula sa ingay sa paraang hindi namin nagawa noon.”

Ang ZNE ay malamang na maging isang staple ng anumang diskarte sa quantum computing – ang pagpapagaan ng error ay isang mahalagang kinakailangan para sa mga computer na madaling kapitan ng error sa NISQ na kasalukuyang mayroon tayo at malamang na kakailanganin kahit na dumating tayo sa pintuan ng pagwawasto ng error – isang diskarte na nakikita ang ilang qubits na may tungkulin sa mga function na nauugnay sa pagwawasto ng mga error sa iba pang mga kalkulasyon ng qubits.

Ang gawaing ginawa ng IBM dito ay nagkaroon na ng epekto sa roadmap ng kumpanya – ang ZNE ay may kaakit-akit na kalidad ng paggawa ng mas mahusay na mga qubit mula sa mga maaari na nating kontrolin sa loob ng Quantum Processing Unit (QPU). Parang nagkaroon tayo ng megahertz increase – mas maraming performance (mas kaunting ingay) nang walang karagdagang lohika. Makatitiyak tayong ang mga araling ito ay isinasaalang-alang at ipinapatupad hangga’t maaari sa daan patungo sa isang “milyong + qubits”.

Mahirap ding balewalain kung paano ipinapakita ng gawaing ito na wala talagang lahi sa pagitan ng quantum at classical: ang hinaharap ay talagang Fusion, upang makipaglaro ng kaunti sa moto ng AMD noon. Ang Fusion na iyon ay makakakita ng mga partikular na elemento ng computing na tumutugon sa mga partikular na pangangailangan sa pagproseso. Ang bawat problema, gaano man kakomplikado, ay may sariling kasangkapan, mula sa klasikal hanggang sa kabuuan; at hinihingi ng katalinuhan ng tao na maging mahusay tayo sa paggamit ng lahat ng atin.

Ang kasabihang lubid na iyon sa pagitan ng mga karaniwang supercomputer at mga quantum na computer ay umaabot lamang hanggang ngayon – ngunit ang IBM ay nakakahanap ng mas matalino at mas matalinong mga paraan upang palawigin ang haba nito. Salamat sa pananaliksik na ito, ang mga quantum computer ay nagsisimula nang makita ang kaunti nang maaga. Marahil ay makikita ni Dr. Kandala kung ano ang inaasahan niya nang mas maaga kaysa sa inaasahan niya: ang palaruan sa quantum utility ay bukas nang maaga sa iskedyul. Tingnan natin kung ano ang magagawa ng mga tao sa loob nito, hindi ba?