Supersnelle Quantum chip 'Willow' (+videos) even transformerend als AI
Directeur van Google's Quantum Hardware Julian Kelly:
Met genoegen kondig ik Willow aan, onze nieuwste quantumchip. Willow heeft state-of-the-art prestaties op een aantal meetpunten, wat twee belangrijke prestaties mogelijk maakt.
Ten eerste kan Willow fouten exponentieel verminderen naarmate we opschalen met meer qubits. Dit lost een belangrijke uitdaging op in quantumfoutcorrectie waar het vakgebied al bijna 30 jaar mee bezig is.
Ten tweede voerde Willow een standaard benchmarkberekening uit in minder dan vijf minuten, wat een van de snelste supercomputers van vandaag de dag 10 septiljoen (dat wil zeggen 1025 nullen) jaar zou kosten — een getal dat de leeftijd van het heelal ver overschrijdt.
De Willow-chip is een belangrijke stap in een reis die meer dan 10 jaar geleden begon. Toen ik in 2012 Google Quantum AI oprichtte, was de visie om een bruikbare, grootschalige quantumcomputer te bouwen die quantummechanica — het "besturingssysteem" van de natuur zoals we dat nu kennen — kon benutten om de maatschappij te helpen door wetenschappelijke ontdekkingen te bevorderen, nuttige toepassingen te ontwikkelen en enkele van de grootste uitdagingen van de maatschappij aan te pakken. Als onderdeel van Google Research heeft ons team een langetermijnplan opgesteld en Willow brengt ons aanzienlijk op weg naar commercieel relevante toepassingen.
Exponentiële kwantumfoutcorrectie — onder de drempelwaarde!
Fouten vormen een van de grootste uitdagingen in quantum computing, omdat qubits, de rekeneenheden in quantumcomputers, de neiging hebben om snel informatie uit te wisselen met hun omgeving, waardoor het moeilijk is om de informatie te beschermen die nodig is om een berekening te voltooien. Meestal geldt: hoe meer qubits je gebruikt, hoe meer fouten er zullen optreden en het systeem klassiek wordt.
9 december publiceerden we in Nature resultaten die laten zien dat hoe meer qubits we gebruiken in Willow, hoe meer we fouten verminderen en hoe kwantum het systeem wordt.
We testten steeds grotere arrays van fysieke qubits, waarbij we opschaalden van een raster van 3x3 gecodeerde qubits, naar een raster van 5x5, naar een raster van 7x7 — en elke keer konden we met behulp van onze nieuwste ontwikkelingen in kwantumfoutcorrectie de foutmarge halveren.
Met andere woorden, we bereikten een exponentiële reductie in de foutmarge. Deze historische prestatie staat in het veld bekend als "onder de drempelwaarde" — het vermogen om fouten te verminderen terwijl het aantal qubits wordt opgeschaald. Je moet aantonen dat je onder de drempelwaarde zit om echte vooruitgang te boeken met foutcorrectie, en dit is een geweldige uitdaging sinds kwantumfoutcorrectie in 1995 door Peter Shor werd geïntroduceerd.
Realtime foutcorrectie op een supergeleidend kwantumsysteem
Er zijn ook andere wetenschappelijke "primeurs" bij dit resultaat betrokken. Het is bijvoorbeeld ook een van de eerste overtuigende voorbeelden van realtime foutcorrectie op een supergeleidend kwantumsysteem — cruciaal voor elke bruikbare berekening, want als je fouten niet snel genoeg kunt corrigeren, verpesten ze je berekening voordat deze is voltooid.
En het is een "meer dan break-even"-demonstratie, waarbij onze arrays van qubits een langere levensduur hebben dan de individuele fysieke qubits, een onweerlegbaar teken dat foutcorrectie het systeem als geheel verbetert.
Als het eerste systeem onder de drempelwaarde is dit het meest overtuigende prototype voor een schaalbare logische qubit die tot nu toe is gebouwd. Het is een sterk teken dat er inderdaad bruikbare, zeer grote kwantumcomputers kunnen worden gebouwd. Willow brengt ons dichter bij het uitvoeren van praktische, commercieel relevante algoritmen die niet op conventionele computers kunnen worden gerepliceerd.
10 septiljoen jaar op een van de snelste supercomputers van vandaag
Als maatstaf voor de prestaties van Willow gebruikten we de random circuit sampling (RCS) benchmark. RCS is door ons team als eerste gebruikt en wordt nu veel gebruikt als standaard in het veld. Het is de klassiek moeilijkste benchmark die op een quantumcomputer kan worden uitgevoerd. Je kunt dit zien als een instappunt voor quantum computing: het controleert of een quantumcomputer iets doet dat niet op een klassieke computer kan worden uitgevoerd. Elk team dat een quantumcomputer bouwt, moet eerst controleren of het klassieke computers op RCS kan verslaan; anders is er een sterke reden voor scepsis dat het complexere quantumtaken aankan. We hebben deze benchmark consequent gebruikt om de voortgang van de ene generatie chips naar de volgende te beoordelen. We hebben de resultaten van Sycamore in oktober 2019 gerapporteerd en onlangs opnieuw in oktober 2024.
De prestaties van Willow op deze benchmark zijn verbazingwekkend: het voerde een berekening uit in minder dan vijf minuten, waar een van de snelste supercomputers van vandaag de dag 1025 of 10 septiljoen jaar over zou doen. Als je het wilt uitschrijven, is het 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000 jaar.
Dit verbijsterende getal overschrijdt bekende tijdschalen in de natuurkunde en overschrijdt de leeftijd van het heelal ruimschoots. Het geeft geloofwaardigheid aan het idee dat kwantumberekeningen in veel parallelle universums voorkomen, in lijn met het idee dat we in een multiversum leven, een voorspelling die voor het eerst werd gedaan door David Deutsch.
Deze laatste resultaten voor Willow, zoals weergegeven in de onderstaande grafiek, zijn tot nu toe onze beste, maar we zullen doorgaan met het boeken van vooruitgang.
Reken kosten worden sterk beïnvloed door het beschikbare geheugen. Onze schattingen houden daarom rekening met een reeks scenario's, van een ideale situatie met onbeperkt geheugen (▲) tot een meer praktische, beschamend paralleliseerbare implementatie op GPU's (⬤).
Frontier
Onze beoordeling van hoe Willow een van 's werelds krachtigste klassieke supercomputers, Frontier, overtreft, was gebaseerd op conservatieve aannames. We gingen er bijvoorbeeld van uit dat er volledige toegang was tot secundaire opslag, d.w.z. harde schijven, zonder enige bandbreedteoverhead — een royale en onrealistische toelage voor Frontier. Natuurlijk verwachten we, zoals gebeurde nadat we in 2019 de eerste beyond-classical computation aankondigden, dat klassieke computers deze benchmark blijven verbeteren, maar de snelgroeiende kloof laat zien dat quantumprocessoren met een dubbel exponentieel tempo achteruitgaan en klassieke computers enorm zullen blijven overtreffen naarmate we opschalen.
State-of-the-art prestaties
Willow is gefabriceerd in onze nieuwe, state-of-the-art productiefaciliteit in Santa Barbara — een van de weinige faciliteiten ter wereld die vanaf de grond af voor dit doel is gebouwd. Systeemtechniek is essentieel bij het ontwerpen en fabriceren van quantumchips: alle componenten van een chip, zoals enkele en twee-qubit gates, qubit reset en readout, moeten tegelijkertijd goed worden ontworpen en geïntegreerd. Als een component achterloopt of als twee componenten niet goed samenwerken, dan gaat dat ten koste van de systeemprestaties. Daarom is het maximaliseren van de systeemprestaties van invloed op alle aspecten van ons proces, van chiparchitectuur en -fabricage tot gate-ontwikkeling en -kalibratie. De prestaties die we rapporteren, beoordelen quantumcomputersystemen holistisch, niet slechts één factor tegelijk.
We richten ons op kwaliteit, niet alleen op kwantiteit — omdat het produceren van grotere aantallen qubits niet helpt als ze niet van hoge genoeg kwaliteit zijn.
Met 105 qubits heeft Willow nu de beste prestaties in zijn klasse voor de twee hierboven besproken systeembenchmarks: kwantumfoutcorrectie en willekeurige circuitbemonstering. Dergelijke algoritmische benchmarks zijn de beste manier om de algehele chipprestaties te meten. Andere, specifiekere prestatiemetingen zijn ook belangrijk; bijvoorbeeld onze T1-tijden, die meten hoe lang qubits een excitatie kunnen behouden — de belangrijkste kwantumcomputerbron — naderen nu 100 µs (microseconden). Dit is een indrukwekkende verbetering van ~5x ten opzichte van onze vorige generatie chips.
Mijn collega's vragen me soms waarom ik het opkomende veld van AI heb verlaten om me te richten op quantum computing. Mijn antwoord is dat beide de meest transformerende technologieën van onze tijd zullen blijken te zijn, maar geavanceerde AI zal aanzienlijk profiteren van toegang tot quantum computing. Daarom heb ik ons lab Quantum AI genoemd. Quantumalgoritmen hebben fundamentele schaalwetten aan hun kant, zoals we zien bij RCS. Er zijn vergelijkbare schaalvoordelen voor veel fundamentele computationele taken die essentieel zijn voor AI. Quantum computing zal dus onmisbaar zijn voor het verzamelen van trainingsgegevens die niet toegankelijk zijn voor klassieke machines, het trainen en optimaliseren van bepaalde leerarchitecturen en het modelleren van systemen waarbij quantumeffecten belangrijk zijn. Dit omvat het helpen ontdekken van nieuwe medicijnen, het ontwerpen van efficiëntere batterijen voor elektrische auto's en het versnellen van de vooruitgang in fusie en nieuwe energiealternatieven. Veel van deze toekomstige baanbrekende toepassingen zullen niet haalbaar zijn op klassieke computers; ze wachten erop om ontgrendeld te worden met quantum computing.
Het bovenstaande is een ingekorte versie van het oorspronkelijk artikel hier
.gif)
