Der von chinesischen Physikern entwickelte Quantencomputer Zuchongzhi auf Supraleitern erwies sich als 2-3 Größenordnungen schneller als Googles Sycamore. Sie verwendeten einen 56-Qubit-Prozessor und demonstrierten experimentell seine Überlegenheit gegenüber dem klassischen. Ein Vorabdruck der Arbeit ist auf arXiv.org veröffentlicht.
Vor zwei Jahren gab Google bekannt, dass es auf einem Computer mit 53 supraleitenden Qubits, den sie Sycamore nannten, die Quantenüberlegenheit erreicht habe. Sie zeigten, dass ein Quantenrechner die Aufgabe, einen Zufallsstring zu erzeugen, schneller bewältigt als ein klassischer - nach Anwendung einer bekannten Zufallsfolge von Operationen auf den Anfangszustand des Rechners wird die am Ausgang erhaltene Wahrscheinlichkeitsverteilung gemessen und mit der theoretisch ein. IBM kritisierte die Ergebnisse des Experiments und behauptete, ein klassischer Supercomputer würde tausendmal weniger Zeit benötigen, wenn ein anderer klassischer Algorithmus verwendet würde. Später wandte sich ein Team von Wissenschaftlern von Google angewandten Problemen zu und berechnete auf Sycamore die Energien des Grundzustands von Wasserstoffketten und konnte eine chemische Reaktion beschreiben.
Ein Physikerteam um Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China zeigte, wie viel leistungsfähiger ein Quantencomputer wird, wenn die Anzahl der Qubits von 53 auf 56 steigt. Die Autoren verwendeten 56 Qubits eines 66-Qubit-Quants Computer und maß die Genauigkeit der Verwendung von Ein-Qubit-Operationen, Zwei-Qubit-Operationen und das Lesen von Qubits. Um die Leistung des Rechners abzuschätzen, verwendeten die Autoren ihn, um das Problem der Erzeugung einer zufälligen Zeichenfolge zu lösen.
Der Quantenprozessor verfügt über eine zweidimensionale Gitterarchitektur aus 66 supraleitenden Transmon-Qubits, die Sie in unserem Kurs zur Quantentechnologie näher kennenlernen können. Jedes Qubit (außer den extremen) ist über ein spezielles Qubit, das den Grad der Wechselwirkung regelt, mit vier benachbarten verbunden. Tatsächlich ist dies dasselbe Transmon, das jedoch mit einer anderen Frequenz arbeitet - dies ermöglicht es Ihnen, die Steuerung verschiedener Arten von Qubits zu trennen.
Nachdem die Physiker experimentell davon überzeugt waren, dass die Fehler bei der Durchführung von Operationen an einem oder zwei Qubits ein Prozent nicht überschreiten und der Auslesefehler 4,5 Prozent beträgt, wechselten sie zur Erzeugung zufälliger Quantensequenzen. Eine zufällige Sequenz oder ein zufälliger String kann durch ein zufälliges Quantenschema erzeugt werden: Schichten von Ein-Qubit- und Zwei-Qubit-Operationen werden sequentiell auf ein zweidimensionales Gitter von Qubits angewendet. In einem Zyklus wird jedes Qubit zufällig einer von drei Transformationen und einem Zwei-Qubit unterzogen, das sich von Zyklus zu Zyklus in einer bestimmten Reihenfolge ändert, und nach allen Zyklen und unmittelbar vor der Messung führen alle Qubits erneut zufällige Eins- Qubit-Operationen.
. Schema der zyklischen Transformation der Schaltung: hellblaue Ein-Qubit-Transformationen sind markiert und gelb, grün, blau und rot - verschiedene Zwei-Qubit-Transformationen. Dieselben Transformationen sind auf dem zweidimensionalen Gitter angegeben
Bereits eine geringe Anzahl von Schleifen kann mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem verschränkten Zustand führen. Dennoch verwendeten die Autoren ein Schema von 20 Zyklen auf 56 Qubits und verglichen die Ergebnisse mit Berechnungen eines klassischen Computers. Mit zunehmender Zyklenzahl wird die Simulation des Problems für einen klassischen Computer unerträglich, daher verwenden Physiker zur Beurteilung seiner Leistung vereinfachte Schaltungsmodelle - sie teilen die Schaltung entweder in zwei separate Teile und transformieren sie parallel, oder Entfernen Sie gleich zu Beginn mehrere Zwei-Qubit-Unterschichten. Tests an einer kleinen Anzahl von Zyklen zeigen, dass beide Modelle die experimentellen Daten gut beschreiben, daher extrapolieren die Wissenschaftler die Abhängigkeit der Kettenumwandlungsgenauigkeit von der Anzahl der Zyklen auf eine größere Anzahl von Zyklen.
Der Vergleich der Zeit, die für die Lösung eines Problems auf einem klassischen und einem Quantenprozessor erforderlich ist, ermöglichte es Wissenschaftlern zu vergleichen, wie viel schwieriger das Problem mit zunehmender Anzahl von Qubits wird. Bewältigte der klassische Computer die Aufgabe von 53 Qubits in 15,9 Tagen, dann braucht der 56-Qubit-Rechner 8,2 Jahre.
Trotz der Tatsache, dass die Autoren zwei verschiedene Algorithmen mit deutlich unterschiedlichen Ansätzen für Simulationen auf einem klassischen Computer verwendet und ähnliche Schätzungen erhalten haben, sehen sie das Aufkommen neuer, effizienterer Algorithmen voraus. Dies wird ihrer Meinung nach ermöglichen, dass der Wettbewerb zwischen klassischem und Quantencomputing weitergeht und kann sich bei der Skalierung von Quantensystemen als nützlich erweisen.
Ein einfacher und effektiver klassischer Algorithmus zur Simulation von Quantenschaltungen mit der gleichen Architektur wurde bereits von einer Gruppe chinesischer Physiker vorgeschlagen und implementiert. Und ihre Kollegen zeigten, dass ein photonischer Quantenprozessor bei der Lösung eines anderen Problems schneller ist als ein klassischer.
