量子コンピューティングの時代が 3 年前に幕を開けた場合、昇る太陽は雲の後ろに隠れていた可能性があります。 2019 年、Google の研究者は、量子コンピューター Sycamore がスーパーコンピューターを 10,000 年間拘束すると言った難解な計算を 200 秒で実行したとき、量子超越性として知られるマイルストーンを通過したと主張しました。現在、中国の科学者は、通常のプロセッサを使用して数時間で計算を完了しました。彼らによると、スーパーコンピューターは Sycamore を完全に打ち負かすことができるとのことです。
テキサス大学オースティン校のコンピューター科学者であるスコット・アーロンソンは、「彼らが十分に大きなスーパーコンピューターにアクセスできれば、数秒で…タスクをシミュレートできたはずだというのは正しいと思います」と述べています。カリフォルニア大学デービス校の数学者 Greg Kuperberg は、この前進は Google の主張から少し輝きを奪うと述べています。 「頂上から 300 フィートに到達することは、頂上に到達することほどエキサイティングではありません。」
それでも、量子コンピューティングの可能性は依然として薄れていない、と Kuperberg らは言う。また、Google Quantum AI の主任科学者である Sergio Boixo 氏は、Google チームはその優位性が長くは続かない可能性があることを知っていると電子メールで述べました。 「私たちの 2019 年の論文では、従来のアルゴリズムは改善されるだろうと述べました」と彼は言いました。しかし、「この古典的なアプローチが 2022 年以降の量子回路に追いつくことはできないと考えています。」
シカモアが解決した「問題」は、従来のコンピューターにとっては難しく、量子コンピューターにとっては可能な限り簡単になるように設計されました。量子コンピューターは、0、1、または量子力学のおかげで、0 と 1 の任意の組み合わせに設定できるキュービットを操作します。同時に。 Sycamore の 53 キュービット (超伝導金属でできた小さな共振電気回路) を組み合わせると、0 から 2 (約 9 千兆) までの任意の数をエンコードできます。また、それらすべてを一度にエンコードすることもできます。
すべての量子ビットを 0 に設定することから始めて、Google の研究者は単一の量子ビットに適用し、論理演算またはゲートのランダムだが固定されたセットを 20 サイクルにわたって組み合わせてから、量子ビットを読み取りました。大雑把に言えば、すべての可能な出力を表す量子波がキュービット間でスロッシングし、ゲートが干渉を引き起こし、一部の出力を強化し、他の出力をキャンセルしました。したがって、いくつかは他のものよりも高い確率で出現するはずです。数百万回以上の試行の結果、急激な出力パターンが出現しました。
Google の研究者は、これらの干渉効果をシミュレートすることは、9216 の中央処理装置と 27,648 のより高速なグラフィック処理装置 (GPU) を備えたオークリッジ国立研究所のスーパーコンピューターである Summit でさえ圧倒すると主張しました。 Summit を開発した IBM の研究者は、コンピューターで利用可能なハード ドライブをすべて活用すれば、数日で計算を処理できるとすぐに反論しました。現在、中国科学院の理論物理学研究所の統計物理学者である Pan Zhang とその同僚は、Physical Review Letters の印刷中の論文でシカモアを打ち負かす方法を示しました。 .
他の人に続いて、Zhang とその同僚は、テンソル ネットワークと呼ばれる 3D 数学配列として問題を作り直しました。これは、ゲートの各サイクルに 1 つずつ、20 のレイヤーで構成され、各レイヤーは 53 のドットで構成され、各量子ビットに 1 つずつありました。各ゲートはテンソル (複素数の 2D または 4D グリッド) でエンコードされ、ゲートを表すために点を線で結びました。シミュレーションを実行すると、本質的にすべてのテンソルを乗算することになります。 「テンソル ネットワーク方式の利点は、多くの GPU を使用して計算を並行して実行できることです」と Zhang 氏は言います。
Zhang と同僚は、重要な洞察にも依存していました。Sycamore の計算は正確とはかけ離れていたため、彼らの計算も正確である必要はありませんでした。 Sycamore は、推定忠実度 0.2% で出力の分布を計算しました。これは、回路内のノイズから指紋のようなスパイクを区別するのにちょうど十分です。そこで Zhang 氏のチームは、ネットワークの一部の回線を切断し、対応するゲートを削除することで、速度と精度を犠牲にしました。わずか 8 行を失うだけで、0.37% の忠実度を維持しながら計算が 256 倍速くなりました。
研究者は、真にランダムな代表的なセットを取得する独自の革新に依存して、9000兆の可能な数の文字列のうち100万の出力パターンを計算しました.計算には 512 個の GPU で 15 時間かかり、明らかなスパイキーな出力が得られました。メリーランド大学カレッジパーク校の量子コンピューター科学者であるドミニク・ハングレイターは、「Google の実験は従来のコンピューターでシミュレートされたと言っても過言ではありません」と述べています。スーパーコンピューターでは、計算に数十秒かかると Zhang 氏は言います。これは、Google チームの推定よりも 100 億倍高速です。
この進歩は、量子コンピューターを従来のコンピューターと競争させることの落とし穴を強調していると、研究者は述べています。 「より優れた量子超越性実験が緊急に必要とされています」とアーロンソンは言います。 Zhang は、より実用的なアプローチを提案しています。
それでも、Google のデモンストレーションは単なる誇大広告ではなかったと研究者は述べています。 Sycamore は、スーパーコンピューターよりもはるかに少ない操作と少ない電力で済みました、と Zhang は指摘します。そして、Sycamore の忠実度がもう少し高かったら、彼のチームのシミュレーションは追いついていなかっただろうと彼は言います。ハングレイターが言うように、「Google の実験は意図したことを行い、このレースを開始しました。」
