השבב החדש של גוגל מציג תיקון שגיאות וביצועים שמסלולים את הדרך למחשב קוואנטי שימושי בקנה מידה גדול.
היום אני שמח להציג את Willow, שבב הקוואנטום החדשני של גוגל. Willow מציג ביצועים מתקדמים במספר מדדים, המאפשרים שתי הישגים מרכזיים.
- הראשון הוא ש-Willow יכול להפחית שגיאות באופן מעריכי ככל שמגדילים את מספר הקיוביטים. זה פותר אתגר מרכזי בתיקון שגיאות קוואנטי שהתחום חיפש כמעט 30 שנה.
- שנית, Willow ביצע חישוב מבחן סטנדרטי בפחות מחמש דקות, שאחד מהסופרמחשבים המהירים ביותר כיום לקח לו 10 ספטיליון (כלומר, 10^25) שנים — מספר שהופך את גיל היקום לבלתי אפשרי.
שבב Willow הוא צעד משמעותי במסע שהחל לפני יותר מעשור. כאשר ייסדתי את Google Quantum AI ב-2012, החזון היה לבנות מחשב קוואנטי שימושי בקנה מידה גדול שיכול לנצל את מכניקת הקוואנטום — ה"מערכת ההפעלה" של הטבע במידה שאנו מכירים היום — לטובת החברה על ידי קידום גילויים מדעיים, פיתוח יישומים מועילים והתמודדות עם חלק מהאתגרים הגדולים ביותר של החברה. כחלק ממחקרי גוגל, הצוות שלהם תכנן מפת דרכים לטווח הארוך, ו-Willow מקדם אותם באופן משמעותי בדרך ליישומים מסחריים רלוונטיים.
אני משתף סרטון שבו ג'וליאן קלי, מנהל חומרה קוואנטית, מציג את Willow ואת הישגיו הפורצי דרך.
תיקון שגיאות קוואנטי באופן מעריכי — מתחת לסף!
שגיאות הן אחד האתגרים הגדולים ביותר במחשוב קוואנטי, שכן קיוביטים, יחידות החישוב במחשבים קוואנטיים, נוטים להחליף מידע במהירות עם הסביבה שלהם, מה שמקשה על הגנת המידע הנדרש להשלמת חישוב. בדרך כלל, ככל שמשתמשים ביותר קיוביטים, כך יופיעו יותר שגיאות, והמערכת הופכת לקלאסית.
היום בכתב העת Nature, גוגל פרסמה תוצאות שמראות שככל שמשתמשים ביותר קיוביטים ב-Willow, כך מקטינים את השגיאות והמערכת הופכת להיות יותר קוואנטית. גוגל בדקה מערכים גדולים יותר של קיוביטים פיזיים, מגדילה ממטריצה של 3×3 קיוביטים מקודדים, ל-5×5, ולאחר מכן 7×7 — וכל פעם, באמצעות ההתקדמות האחרונה בתיקון שגיאות קוואנטי, הצליחה לחצץ את שיעור השגיאות בחצי. במילים אחרות, הושגה הפחתה מעריכית בשיעור השגיאות. הישג היסטורי זה מוכר בתחום כ"מתחת לסף" — היכולת להוריד שגיאות תוך הגדלת מספר הקיוביטים. יש להראות שהמערכת נמצאת מתחת לסף כדי להציג התקדמות אמיתית בתיקון שגיאות, וזה היה אתגר יוצא דופן מאז שהוצג תיקון השגיאות הקוואנטי על ידי פיטר שור בשנת 1995.
ישנם גם "ראשונות" מדעיות נוספות בתוצאה זו. לדוגמה, זהו אחד הדוגמאות הראשונות המשכנעות לתיקון שגיאות בזמן אמת במערכת קוואנטית על-מוליכה — קריטי לכל חישוב שימושי, מכיוון שאם לא ניתן לתקן שגיאות במהירות מספיק, הן ישמידו את החישוב לפני שהושלם. בנוסף, מדובר בהדגמה "מעבר לשבירת שוויון", שבה מערכי הקיוביטים של גוגל מחזיקים חיים ארוכים יותר מהקיוביטים הפיזיים האישיים, סימן בלתי ניתן להכחשה שתיקון השגיאות משפר את המערכת באופן כללי.
כמערכת הראשונה שמתחת לסף, זהו הפרוטוטיפ המשכנע ביותר לקיוביט לוגי סקיילבילי שנבנה עד כה. זהו סימן חזק לכך שמחשבים קוואנטיים שימושיים ובעלי קנה מידה גדול יכולים להיבנות בפועל. Willow מקרב אותנו יותר להריץ אלגוריתמים מעשיים ורלוונטיים מסחרית שלא ניתן לשכפל במחשבים קונבנציונליים.
ההערכה שלי לגבי האופן שבו Willow מתעלה על אחד הסופרמחשבים הקלאסיים החזקים בעולם, Frontier, התבססה על הנחות שמרניות. לדוגמה, הנחתי גישה מלאה לאחסון המשני, כלומר לכונני הדיסק הקשיח, ללא כל עומס רוחב פס — הנחה נדיבה ולא מציאותית לגבי Frontier. כמובן, כפי שקרה לאחר שהכרזתי על החישוב הראשון שמעבר לקלאסי ב-2019, אני מצפה שמחשבים קלאסיים ימשיכו להשתפר במדד זה, אך הפער המתרחב במהירות מראה שמעבדי קוואנטום מתקדמים בקצב כפול מעריכי וימשיכו לבעלות יתרון משמעותי על מחשבים קלאסיים ככל שאנו מגדילים את ההיקף.
סרטון שבו המדען הראשי סרג’יו בויסו, המייסד והמנהיג הרטמוט נובן, והפיזיקאי המוכר ג’ון פרסקיל דנים במדידת הסקת מעגלים אקראיים, שהיא מדד הממחיש ביצועים שמעבר ליכולות המחשבים הקלאסיים בתחום המחשוב הקוואנטי.
ביצועים מתקדמים ביותר
Willow נוצר במפעל ההפקה החדיש והמתקדם החדש של גוגל בסנטה ברברה — אחד ממעטים המתקנים בעולם שנבנו במיוחד למטרה זו. הנדסת מערכות היא מפתח בתכנון והפקת שבבים קוואנטיים: כל רכיבי השבב, כגון שערים חד-קיוביטיים ושני-קיוביטיים, איפוס הקיוביט וקריאה, חייבים להיות מהונדסים ומשולבים היטב בו זמנית. אם כל רכיב מאחור או אם שני רכיבים אינם פועלים היטב יחד, זה מוריד את ביצועי המערכת. לכן, מקסום ביצועי המערכת משפיע על כל היבטי התהליך, מתכנון הארכיטקטורה וההפקה של השבב ועד לפיתוח שערים וכיול. ההישגים שגוגל מדווחת מעריכים את מערכות המחשוב הקוואנטי באופן כוללני, ולא רק גורם אחד בכל פעם.
הם מתמקדים באיכות, לא רק בכמות — כי ייצור מספר גדול יותר של קיוביטים לא מועיל אם הם אינם באיכות גבוהה מספיק. עם 105 קיוביטים, Willow מציג כעת ביצועים מהמובילים בתחום בשני מדדי המערכת שדנו בהם לעיל: תיקון שגיאות קוואנטי והסקת מעגלים אקראיים. מדדים אלגוריתמיים כאלה הם הדרך הטובה ביותר למדוד את ביצועי השבב הכוללים. מדדי ביצועים ספציפיים נוספים גם הם חשובים; לדוגמה, זמני T1 שלהם, שמודדים כמה זמן קיוביטים יכולים לשמור על התרגשות — המשאב החישובי הקוואנטי המרכזי — מתקרבים כעת ל-100 מיקרושניות. זהו שיפור מרשים של כ-5 פעמים לעומת דור השבבים הקודם שלהם. אם רוצים להעריך חומרה קוואנטית ולהשוות בין פלטפורמות, הנה טבלה של מפרטים מרכזיים:
ביצועי Willow במספר מדדים.
בהמשך עם Willow והעתיד
האתגר הבא בתחום הוא להדגים חישוב ראשון “שימושי, שמעבר לקלאסי” על שבבי הקוואנטום של היום, שיהיה רלוונטי ליישום בעולם האמיתי. אנו אופטימיים שדור השבבים Willow יכול לסייע לנו להשיג מטרה זו. עד כה, קיימים שני סוגי ניסויים נפרדים. מצד אחד, הרצנו את מדד RCS, שמודד ביצועים מול מחשבים קלאסיים אך אין לו יישומים מעשיים ידועים. מצד שני, ביצענו סימולציות מדעיות מעניינות של מערכות קוואנטום, שהובילו לתגליות מדעיות חדשות אך עדיין נמצאות בתחום היכולת של מחשבים קלאסיים. מטרתנו היא לשלב את השניים בו זמנית — להיכנס לתחום האלגוריתמים שמעבר ליכולות של מחשבים קלאסיים וששימושיים לבעיות מעשיות ורלוונטיות מסחרית.
הסקת מעגלים אקראיים (RCS), למרות שהיא מהווה אתגר עצום למחשבים קלאסיים, עדיין לא הוכיחה יישומים מסחריים מעשיים.
גוגל מזמינה חוקרים, מהנדסים ומפתחים להצטרף למסע שלה על ידי בדיקת התוכנה הקוד הפתוח ומשאבי הלמידה שלה, כולל הקורס החדש שלה ב-Coursera. בקורס זה, מפתחים יכולים ללמוד את יסודות תיקון השגיאות הקוואנטי ולעזור לגוגל ליצור אלגוריתמים שיכולים לפתור את בעיות העתיד.
עִבְרִית