Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν qubits, που μέσω υπέρθεσης και διεμπλοκής επεξεργάζονται την πληροφορία με τρόπο που δεν μπορεί να μιμηθεί αποδοτικά ένας κλασικός υπολογιστής.
Δεν είναι γρηγορότεροι σε όλα τα tasks που πραγματοποιούμε με τους σημερινούς υπολογιστές, παραταύτα, σε ορισμένα προβλήματα είναι εξαιρετικά πιο γρήγοροι. Προσομοιώσεις μορίων και υλικών, παραγοντοποίηση (που απειλεί τη σημερινή κρυπτογραφία), βελτιστοποιήσεις και ορισμένα ακόμη.
Το μεγάλο εμπόδιο είναι ότι τα qubits κάνουν συνεχώς λάθη, αυτός είναι ένας εξαιρετικά σημαντικός λόγος για τον οποίο οι μέχρι σήμερα υλοποιήσεις δεν έχουν διευρυμένα use cases αλλά είναι σε ερευνητικό στάδιο ακόμη. Μέχρι τώρα τι κάναμε για αυτό; Κλασσική διόρθωση σφαλμάτων με ένα "λογικό qubit" το οποίο βοηθούσε τα μάλα στις πράξεις Clifford αλλά αυτό δεν αρκεί. Δεν ξεπερνάς σε ταχύτητα έτσι, για κανένα task τους κλασσικούς υπολογιστές.
Σήμερα λοιπόν έγινε ένα από τα μεγαλύτερα βήματα στη κβαντική υπολογιστική, από τη Google.
Θα γίνει αναγκαστικά λίγο τεχνικό αλλά θα προσπαθήσω να παραμείνει κατανοητό.
Για να μπορεί να τρέξει "τα πάντα" ένας κβαντικός υπολογιστής χρειάζεται τα λεγόμενα T gates. Φανταστείτε το κάτι σαν τα logic gates των κλασσικών επεξεργαστών (NAND, AND/OR/NOT) που χρειάζονται ώστε να τρέξει κάθε πρόγραμμα.
Το πρόβλημα τώρα με τα T gates είναι πως ως πράξη δεν γίνεται απευθείας. Την πετυχαίνεις «καταναλώνοντας» μια ειδική κβαντική κατάσταση, τη magic state (εδώ, T-state).
Υπάρχουν δύο δυσκολίες:
Η Google τώρα πάτησε σε μια έρευνα σε θεωρητικό επίπεδο του 2024, που λέει αντί για να παράγεις συνεχώς magic states και να τα απορρίπτεις θα τα "καλλιεργούμε".
Με απλά λόγια για να το καταλάβουμε όλοι.
Μέχρι τώρα τι γινόταν, φανταστείτε να περνάμε αρκετά magic states από μια διαδικασία διύλισης. Ξεκινάνε "βρώμικα" και προσπαθείς να κρατήσεις τα καθαρότερα, με πολλά περάσματα κάθε φορά. Αυτό φυσικά απαιτεί εξαιρετικά πολλούς πόρους.
Η Google υλοποίησε το cultivation. Αυτό είναι σαν ένα θερμοκήπιο. Παρακολουθείς κατά την ανάπτυξη σε κάθε στάδιο το magic state και όταν πάψει να είναι στα όρια των ποιοτικών στάνταρντ, το πετάς και καλλιεργείς το επόμενο. Το κόλπο είναι το trade-off: πετάς πολλές προσπάθειες, αλλά κάθε προσπάθεια είναι μικρή και σύντομη. Δεν χρειάζεσαι 15 καταστάσεις για να βγάλεις μία. Δουλεύεις πάνω σε μία, σε χώρο περίπου όσο ένα κανονικό λογικό qubit.
Τι μέτρησαν στην πράξη:
~40 φορές λιγότερα σφάλματα σε σχέση με magic states χωρίς cultivation.
Λογική πιστότητα 99,99% στις T-states, που είναι ρεκόρ.
Το συμπέρασμα:
Ο κβαντικός υπολογιστής που χρειάζεται για πρακτικές εφαρμογές (π.χ. προσομοίωση μορίων, κρυπτανάλυση) γίνεται σημαντικά μικρότερος. Αυτό γίνεται μικραίνοντας τα εργοστάσια magic state. Για να είναι χρήσιμα, παράδειγμα να παραγοντοποιήσουν ένα RSA-2048 κλειδί, χρειάζονται δισεκατομμύρια πύλες Τ. Κάθε πύλη Τ καταναλώνει ένα magic state το οποίο χάνεται μετά. Εάν δεν παρείχες αρκετά magic states απλά καθυστερούσες τον αλγόριθμο.
Δεν είναι γρηγορότεροι σε όλα τα tasks που πραγματοποιούμε με τους σημερινούς υπολογιστές, παραταύτα, σε ορισμένα προβλήματα είναι εξαιρετικά πιο γρήγοροι. Προσομοιώσεις μορίων και υλικών, παραγοντοποίηση (που απειλεί τη σημερινή κρυπτογραφία), βελτιστοποιήσεις και ορισμένα ακόμη.
Το μεγάλο εμπόδιο είναι ότι τα qubits κάνουν συνεχώς λάθη, αυτός είναι ένας εξαιρετικά σημαντικός λόγος για τον οποίο οι μέχρι σήμερα υλοποιήσεις δεν έχουν διευρυμένα use cases αλλά είναι σε ερευνητικό στάδιο ακόμη. Μέχρι τώρα τι κάναμε για αυτό; Κλασσική διόρθωση σφαλμάτων με ένα "λογικό qubit" το οποίο βοηθούσε τα μάλα στις πράξεις Clifford αλλά αυτό δεν αρκεί. Δεν ξεπερνάς σε ταχύτητα έτσι, για κανένα task τους κλασσικούς υπολογιστές.
Σήμερα λοιπόν έγινε ένα από τα μεγαλύτερα βήματα στη κβαντική υπολογιστική, από τη Google.
Θα γίνει αναγκαστικά λίγο τεχνικό αλλά θα προσπαθήσω να παραμείνει κατανοητό.
Για να μπορεί να τρέξει "τα πάντα" ένας κβαντικός υπολογιστής χρειάζεται τα λεγόμενα T gates. Φανταστείτε το κάτι σαν τα logic gates των κλασσικών επεξεργαστών (NAND, AND/OR/NOT) που χρειάζονται ώστε να τρέξει κάθε πρόγραμμα.
Το πρόβλημα τώρα με τα T gates είναι πως ως πράξη δεν γίνεται απευθείας. Την πετυχαίνεις «καταναλώνοντας» μια ειδική κβαντική κατάσταση, τη magic state (εδώ, T-state).
Υπάρχουν δύο δυσκολίες:
- Κάθε magic state χρησιμοποιείται μία φορά και χάνεται, άρα χρειάζεσαι συνεχή παραγωγή.
- Για να είναι χρήσιμες, πρέπει να είναι εξαιρετικά καθαρές. Η κλασική μέθοδος (magic state distillation) είναι τόσο ακριβή που, κατά ορισμένες εκτιμήσεις, έως και 95% του υπολογιστή θα δούλευε μόνο ως «εργοστάσιο» magic state.
Η Google τώρα πάτησε σε μια έρευνα σε θεωρητικό επίπεδο του 2024, που λέει αντί για να παράγεις συνεχώς magic states και να τα απορρίπτεις θα τα "καλλιεργούμε".
Με απλά λόγια για να το καταλάβουμε όλοι.
Μέχρι τώρα τι γινόταν, φανταστείτε να περνάμε αρκετά magic states από μια διαδικασία διύλισης. Ξεκινάνε "βρώμικα" και προσπαθείς να κρατήσεις τα καθαρότερα, με πολλά περάσματα κάθε φορά. Αυτό φυσικά απαιτεί εξαιρετικά πολλούς πόρους.
Η Google υλοποίησε το cultivation. Αυτό είναι σαν ένα θερμοκήπιο. Παρακολουθείς κατά την ανάπτυξη σε κάθε στάδιο το magic state και όταν πάψει να είναι στα όρια των ποιοτικών στάνταρντ, το πετάς και καλλιεργείς το επόμενο. Το κόλπο είναι το trade-off: πετάς πολλές προσπάθειες, αλλά κάθε προσπάθεια είναι μικρή και σύντομη. Δεν χρειάζεσαι 15 καταστάσεις για να βγάλεις μία. Δουλεύεις πάνω σε μία, σε χώρο περίπου όσο ένα κανονικό λογικό qubit.
Τι μέτρησαν στην πράξη:
~40 φορές λιγότερα σφάλματα σε σχέση με magic states χωρίς cultivation.
Λογική πιστότητα 99,99% στις T-states, που είναι ρεκόρ.
Το συμπέρασμα:
Ο κβαντικός υπολογιστής που χρειάζεται για πρακτικές εφαρμογές (π.χ. προσομοίωση μορίων, κρυπτανάλυση) γίνεται σημαντικά μικρότερος. Αυτό γίνεται μικραίνοντας τα εργοστάσια magic state. Για να είναι χρήσιμα, παράδειγμα να παραγοντοποιήσουν ένα RSA-2048 κλειδί, χρειάζονται δισεκατομμύρια πύλες Τ. Κάθε πύλη Τ καταναλώνει ένα magic state το οποίο χάνεται μετά. Εάν δεν παρείχες αρκετά magic states απλά καθυστερούσες τον αλγόριθμο.