Глава 1144. Один миллион миллиардов 67 секунды •
— Сколько квантовых битов (Qubit) может содержать этот квантовый чип?
Квантовый бит (Qubit) — это базовая единица информации в квантовых вычислениях.
Он использует свойства суперпозиции и запутанности квантовой механики для достижения вычислительной мощности, намного превосходящей классические биты.
Если говорить о традиционных кремниевых и углеродных чипах, то квантовый бит по своей природе похож на транзистор.
Если говорить простым языком, то можно даже рассматривать один квантовый бит как коллективный транзистор.
В отличие от транзисторов традиционных чипов, которые могут находиться только в одном из двух состояний — 0 или 1, квантовый бит: может одновременно находиться в суперпозиции состояний 0 и 1.
Он подобен вращающейся монете, которая до измерения одновременно имеет вероятность выпадения «орлом» и «решкой», или же его можно сравнить с котом Шрёдингера, который одновременно жив и мертв.
А количество квантовых битов и определяет производительность квантового чипа, и именно это больше всего волнует Сюй Чуаня.
Услышав этот вопрос, Гэн Цзинлун усмехнулся: — Чип первого экспериментального образца, который вы держите в руках, в настоящее время содержит 125 квантовых битов, это первое поколение.
— А мы уже начали производство экспериментальных образцов второго поколения, с целью интеграции чипа с 255 квантовыми битами!
Сделав небольшую паузу, он посмотрел на квантовый чип в руках Сюй Чуаня и продолжил:
— Но главное — не количество квантовых битов, а его стабильность!
— По сравнению с основными сверхпроводящими квантовыми чипами и фотонными квантовыми чипами, наша топологическая квантовая технология — это продукт, совершивший революцию в стабильности!
— Традиционные квантовые чипы чрезвычайно чувствительны к внешним помехам. Не говоря уже о том, чтобы установить их в компьютер, как кремниевые чипы, даже простое слово может разрушить «квантовую запутанность» внутри и привести к коллапсу.
— Но топологический квантовый чип, разработанный и изготовленный нами, совершенно иное дело. Он уже может соответствовать условиям использования в нормальной среде!
— Это означает, что эра коммерциализации квантовых компьютеров!
— Скоро родится из наших рук!
В лаборатории Гэн Цзинлун с лицом, полным возбуждения, излучал волнение и энтузиазм.
Сюй Чуань, стоящий напротив и держащий в руках этот топологический квантовый чип, также с улыбкой выражал легкое волнение.
Да!
Как сказал Гэн Цзинлун, по сравнению с количеством квантовых битов, стабильность этого топологического квантового чипа является самой важной и основополагающей вещью в процессе коммерциализации.
Ядром квантового чипа является квантовый бит, способный выполнять квантовую обработку информации.
Один логический квантовый вентиль и двухкубитный управляемый вентиль NOT могут быть объединены в любой универсальный квантовый логический вентиль, а реализация универсального квантового логического вентиля является ключевой технологией для реализации процесса квантовой обработки информации.
Но о стабильности квантовых битов уже упоминалось ранее: она крайне плохая, и они чрезвычайно чувствительны к внешним помехам.
Не говоря уже о том, чтобы использовать их в быту, как кремниевые и углеродные чипы, даже если вы подготовите для них отдельный подвал для хранения, они будут настолько хрупкими, что разрушатся и зависнут из-за слабого излучения от цемента в стенах.
И тем более, если держать их сейчас в руках.
Для «квантовой запутанности» в квантовых чипах человеческое тело является огромным источником излучения, и даже простое прикосновение может привести к потере стабильности.
На самом деле, для чрезвычайно чувствительных квантовых чипов, даже если вы подготовите для них абсолютно тихий подвал, и все строительные материалы будут изготовлены из нерадиоактивных или малорадиоактивных материалов, «квантовая запутанность» во всех квантовых чипах, представленных на рынке, не продержится и трех секунд.
Да, будь то сверхпроводящий квантовый компьютер «Феникс», разработанный компанией Google в США, или фотонный квантовый компьютер «Цзючжан», разработанный Китайской академией наук, время существования «квантовой запутанности» в их основных квантовых чипах только что превысило секунды.
Возможно, кто-то спросит: если время квантовой декогеренции настолько короткое, имеет ли смысл квантовый компьютер?
Здесь необходимо понимать принцип работы квантового компьютера.
Проще говоря, время декогеренции — это время, в течение которого квантовый бит сохраняет свое квантовое состояние. По истечении этого времени квантовый бит потеряет квантовую информацию из-за внешних помех, что приведет к ошибкам в вычислениях.
Если время декогеренции короткое, квантовый компьютер может часто давать сбои при выполнении сложных вычислений, что, очевидно, является большой проблемой.
Например, в ранние времена время квантовой декогеренции составляло всего несколько наносекунд, поэтому он мог выполнять только несколько наносекундных шагов вычислений.
Однако при разработке квантовых алгоритмов обычно стремятся к минимизации глубины (количества шагов).
Например, алгоритм Шора для факторизации целых чисел имеет полиномиальную временную сложность, а количество необходимых шагов может быть выполнено в течение текущего времени декогеренции (от микросекунд до миллисекунд).
С оптимизацией оборудования (например, увеличением скорости работы вентилей до наносекунд) осуществимость сложных алгоритмов будет еще больше повышена.
Проще говоря, если оборудования недостаточно, алгоритмы приходят на помощь.
Конечно, помимо алгоритмов, можно также увеличить время декогеренции до сотен микросекунд или даже секунд, используя экстремально низкие температуры (близкие к абсолютному нулю) и оптимизацию материалов (например, трехмерный дизайн полостей).
Кроме того, сбой логических квантовых битов, вызванный декогеренцией, также можно оптимизировать с помощью технологий квантовой коррекции ошибок и т. д.
Таким образом, несмотря на то, что крайне короткое время декогеренции ограничивает сложность алгоритмов, квантовый компьютер по-прежнему имеет огромную ценность для решения определенных задач.
Например, в таких областях, как моделирование химических реакций с допустимой погрешностью, комбинационная оптимизация, классификация данных и т. д., он продемонстрировал огромный потенциал и уже был подтвержден в лабораторных условиях как вполне осуществимый.
Если удастся увеличить время квантовой декогеренции, то квантовый компьютер можно будет использовать для выполнения более широкого спектра алгоритмов и инструкций, вплоть до полной замены традиционных компьютеров.
И они сделали этот самый важный шаг!
Конечно, после решения проблемы квантовой декогеренции, следующим самым важным шагом является увеличение количества квантовых битов.
Как и в случае с традиционными кремниевыми чипами, чем больше количество основных транзисторов (кубитов), тем выше его вычислительная мощность.
125 кубитный квантовый чип, хотя это число кажется намного меньше, чем десятки миллиардов транзисторов в кремниевом чипе.
Например, в 2019 году Google и Калифорнийский университет опубликовали 53-битный сверхпроводящий квантовый процессор "Sycamore", который решил проблему случайной выборки цепей за 200 секунд, что потребовало бы 10 000 лет для решения суперкомпьютеру.
Идя по тому же пути, Университет науки и технологий Китая построил 66-битный программируемый сверхпроводящий квантовый прототип "Zu Chongzhi II", который реализовал быстрое решение задачи "выборки квантовых случайных цепей".
Согласно общедоступным данным, скорость решения проблемы случайной выборки квантовых цепей "Zu Chongzhi II" на 7 порядков выше, чем у самого быстрого суперкомпьютера, а сложность вычислений на 6 порядков выше, чем у 53-битного сверхпроводящего квантового прототипа "Sycamore", опубликованного Google.
Хотя, судя по имеющимся отчетам, тесты, проводимые с квантовыми компьютерами, используют наиболее подходящие и простые алгоритмы, в области высокосложных алгоритмов в настоящее время нет никаких прорывов в квантовых технологиях.
Но суть вычислений — это двоичная математика, состоящая из 0 и 1, и любой, даже самый сложный, программа или алгоритм, который может быть запущен на компьютере, может быть преобразован в правила вычислений на квантовом чипе.
Причина, по которой текущим квантовым чипам трудно выполнять высокосложные алгоритмы, заключается в ограничении времени квантовой декогеренции и количества кубитов.
В лаборатории Сюй Чуань держал в руках квантовый чип, с интересом изучая его конкретные параметры и характеристики, затем посмотрел на руководителя проекта Гэн Цзинлуна и спросил.
"Вы должны были протестировать этот чип, не могли бы вы сейчас продемонстрировать мне его?"
Гэн Цзинлун кивнул и улыбнулся: "Конечно, пожалуйста, следуйте за мной."
Следуя за Гэн Цзинлуном, они вошли в другую лабораторию.
В светлой лаборатории ряд приборов и оборудования аккуратно расставлен на лабораторных столах.
Подойдя к компьютеру, Гэн Цзинлун начал объяснять.
"Основные показатели оценки квантового чипа включают в себя планировку кубитов, время когерентности, точность, количество кубитов, квантовый объем и количество операций в слой схемы в секунду и т. д."
"Эти тесты довольно сложны, если вы хотите посмотреть, академик Сюй, я советую вам найти время завтра, чтобы прийти и проверить."
"Сегодня я просто продемонстрирую вам его производительность."
Услышав это, Сюй Чуань с интересом спросил: "Что ты собираешься делать?"
Гэн Цзинлун ухмыльнулся и сказал: "Два способа."
"Первый способ — это метод проверки вычислительной мощности традиционных суперкомпьютеров и больших моделей, вычисление числа Пи, но, учитывая время, я ограничу вычисленное значение до 100 триллионов знаков."
Объясняя, Гэн Цзинлун управлял компьютером, модифицированным специально для тестирования топологических квантовых чипов.
"Этот лабораторный компьютер также оснащен топологическим квантовым чипом с 255 кубитами, это тот же продукт, что и в ваших руках, сейчас я вам продемонстрирую."
Сказав это, он управлял компьютером, открывая программное окно, вводил в него 100000000000000 единиц, убедившись в отсутствии ошибок, он слегка нажал клавишу Enter.
В тот же момент, когда он нажал кнопку, предварительно заданная программа начала выполняться на экране компьютера.
Вскоре результат вычислений был передан на экран через сигналы, обработанные логической схемой.
"Вычисление завершено! Затрачено времени 6,721 секунды."
Увидев текст на экране, Сюй Чуань опешил.
6,721 секунды, чтобы вычислить сто триллионов знаков числа Пи?
Так быстро?
"Менее семи секунд, чтобы завершить вычисление?"
Даже на лице Сюй Чуаня появилось выражение удивления и потрясения, глядя на экран.
"Да."
Гэн Цзинлун с улыбкой кивнул и сказал: "Но это просто вычисление, без хранения и обработки вычисленных данных."
"Вы лучше меня знаете, насколько велик миллион триллионов знаков числа Пи, и с использованием существующих технологий хранения, для полного ввода его на жесткий диск и сохранения потребуется много времени."
"Поэтому мы добавили параметр в вычислительную программу, который может напрямую удалять результаты вычислений, что эквивалентно вычислению одного знака и удалению одного, без сохранения на компьютере, только с обратной связью о времени вычисления."
"Конечно, если потребуется, мы также можем ввести вычисленные результаты на жесткий диск для хранения."
Если миллион триллионов знаков числа Пи хранить в символах ASCII (1 байт/знак), теоретически потребуется около 100 ТБ памяти, а для записи 100 ТБ данных на жесткий диск, с использованием существующих технологий хранения, даже с использованием самых современных углеродных чипов памяти, потребуется не менее нескольких часов.
Поэтому при тестировании для удобства они просто отменили процесс записи.
В лаборатории Сюй Чуань глубоко вздохнул, на его лице появилось выражение потрясения.
"Даже если отменить процесс ввода, всего за 7 секунд было вычислено миллион триллионов знаков числа Пи, эта скорость тоже очень впечатляет."
"Если я правильно помню, одна компания в США ранее вычисляла 1,05 миллиона знаков числа Пи, на что ушло 75 дней?"
Гэн Цзинлун кивнул и улыбнулся: "Вы, должно быть, имеете в виду Solidigm Computer Storage Company из Калифорнии, США. Они действительно вычисляли 1,05 миллиона знаков числа Пи, что заняло 75 дней, потребовало 1 миллиона ГБ данных, а вычислительная мощность была эквивалентна сотням тысяч смартфонов."
Сюй Чуань покачал головой и вздохнул: "75 дней против 7 секунд, ну и разница в скорости."
Один день состоит из 24 часов, что в пересчете на секунды составляет 86400 секунд, а 75 дней – 6480000 секунд. Простой расчет показывает, что разработанный ими квантовый вычислительный чип вычисляет число Пи примерно в миллион триллионов раз быстрее.
Более того, компания Solidigm Computer Storage Company из Калифорнии, США, для вычисления числа Пи использовала не обычные домашние компьютеры, а суперкомпьютер.
То есть, производительность одного 255-кубитного топологического квантового чипа в миллион раз выше, чем у суперкомпьютера.
Конечно, строго говоря, сравнение производительности таким образом некорректно.
В конце концов, в вычислении числа Пи, основная цель которого не практическая потребность, а тестирование производительности компьютера, включая возможности вычислений с плавающей точкой, управление памятью и эффективность параллельной обработки, квантовые чипы имеют естественное преимущество.
Суперкомпьютерный центр, очевидно, может выполнять больший объем задач и более сложные задачи, чем один квантовый чип.
Но даже эта эффективность вычисления значения Пи достаточно, чтобы показать, насколько ужасающей является производительность их новейшего топологического квантового чипа!