Willow – przełomowy chip kwantowy od Google

Obliczenia kwantowe od lat stoją przed jednym fundamentalnym wyzwaniem – błędami, które destabilizują systemy przy większej liczbie kubitów. Willow zrywa z tym schematem. Chip osiągnął to, czego społeczność naukowa poszukiwała przez 30 lat: zdolność do redukcji błędów w miarę zwiększania liczby kubitów.

– Chip Willow to ważny krok w podróży, którą rozpocząłem ponad 10 lat temu. Kiedy w 2012 roku założyłem Google Quantum AI, moją wizją było zbudowanie użytecznego, wielkoskalowego komputera kwantowego, który mógłby wykorzystać mechanikę kwantową – „system operacyjny” natury, w stopniu, w jakim go dzisiaj rozumiemy – z korzyścią dla społeczeństwa. Chcieliśmy przyspieszyć postęp w odkryciach naukowych, opracować przydatne aplikacje i stawić czoła niektórym z największych wyzwań społecznych. W ramach Google Research nasz zespół nakreślił długoterminową mapę drogową, a Willow znacząco przybliża nas do realizacji tej wizji, kierując nas w stronę komercyjnie istotnych zastosowań – powiedział Hartmut Neven, założyciel Google Quantum AI.

– Błędy stanowią jedno z największych wyzwań w obliczeniach kwantowych, ponieważ kubity – jednostki obliczeniowe w komputerach kwantowych – mają tendencję do szybkiej wymiany informacji z otoczeniem. Utrudnia to ochronę danych niezbędnych do ukończenia obliczeń. Zazwyczaj im więcej kubitów wykorzystuje się w systemie, tym więcej błędów występuje, co sprawia, że system zaczyna działać jak klasyczny komputer – dodał.

W najnowszych testach Willow opublikowanych w prestiżowym czasopiśmie „Nature” zespół Google wykazał, że w miarę skalowania systemu z siatki 3x3 do 7x7 kubitów błędy maleją wykładniczo. To przełom określany jako „below threshold” – kamień milowy w korekcji błędów, który pokazuje, że budowa skalowalnych komputerów kwantowych jest możliwa.

Willow to pierwsze tak zaawansowane rozwiązanie pozwalające na korekcję błędów w czasie rzeczywistym. To kluczowy krok w kierunku systemów zdolnych do obsługi długich i złożonych obliczeń bez utraty dokładności.

Pięć minut zamiast 10 septylionów lat

Jednym z najbardziej imponujących wyników Willow jest jego wydajność w benchmarku Random Circuit Sampling (RCS), który ocenia zdolność komputerów kwantowych do rozwiązywania problemów niedostępnych dla maszyn klasycznych. Wynik? Obliczenie, które współczesnemu superkomputerowi zajęłoby 10 septylionów lat – czas przekraczający wiek Wszechświata – Willow wykonał w mniej niż pięć minut.

– Jeśli zapisać to liczbowo, to 10 000 000 000 000 000 000 000 000 lat. Ta niewyobrażalna liczba przekracza znane skale czasowe w fizyce i znacznie przewyższa wiek Wszechświata. Wzmacnia to przekonanie, że obliczenia kwantowe zachodzą w wielu równoległych wszechświatach, zgodnie z ideą, że żyjemy w multiwersum – teorią po raz pierwszy sformułowaną przez Davida Deutscha – napisał Hartmut Neven.

– Nasza ocena co do tego, w jaki sposób Willow wyprzedza jeden z najpotężniejszych klasycznych superkomputerów na świecie, Frontier, opierała się na konserwatywnych założeniach. Na przykład przyjęliśmy pełny dostęp do pamięci zewnętrznej, czyli dysków twardych, bez żadnych ograniczeń przepustowości – co stanowi hojne i nierealistyczne założenie dla Frontier. Oczywiście, podobnie jak po ogłoszeniu pierwszych obliczeń wykraczających poza klasyczne w 2019 roku, spodziewamy się, że klasyczne komputery będą nadal poprawiać swoje wyniki w tym benchmarku. Jednak szybko rosnąca przepaść pokazuje, że procesory kwantowe rozwijają się w tempie podwójnie wykładniczym i będą nadal znacznie przewyższać komputery klasyczne w miarę skalowania – dodał.

Porównując osiągnięcia Willow do poprzedniego chipu Google, Sycamore, który w 2019 roku wykonał obliczenia w trzy minuty zamiast 10 tysięcy lat, widać, jak ogromny postęp dokonał się w ciągu zaledwie pięciu lat. Willow nie tylko podtrzymuje tempo rozwoju, ale wręcz podnosi je do poziomu, który wyznacza nowe standardy.

Co oznacza Willow dla przyszłości?

Willow to jednak nie tylko pokaz siły technologii, ale również znak, że praktyczne zastosowania obliczeń kwantowych stają się coraz bliższe. Google Quantum AI już teraz wskazuje potencjalne dziedziny, w których chipy takie jak Willow mogą zrewolucjonizować sposób rozwiązywania problemów – od modelowania nowych leków, przez projektowanie wydajniejszych baterii, aż po przyspieszenie badań nad energią odnawialną i fuzją.

Willow została wyprodukowana w najnowszym zakładzie Google Quantum AI w Santa Barbara. „Jednym z niewielu zakładów na świecie zbudowanych od podstaw w tym celu”. Kluczowe komponenty, takie jak bramki kwantowe czy mechanizmy resetowania kubitów, zostały dopracowane do perfekcji, aby zapewnić najwyższą wydajność całego systemu. Google podkreśla, że kluczem do sukcesu nie jest jedynie zwiększanie liczby kubitów, ale ich jakość i zdolność do pracy w zintegrowanym środowisku. W przypadku Willow każda decyzja projektowa była podporządkowana maksymalizacji wydajności całego systemu, a nie tylko poszczególnych elementów.

– Skupiamy się na jakości, a nie tylko na ilości – samo zwiększanie liczby kubitów nie przynosi korzyści, jeśli ich jakość nie jest wystarczająco wysoka. Dzięki 105 kubitom Willow oferuje obecnie najlepszą w swojej klasie wydajność w dwóch kluczowych benchmarkach systemowych: korekcji błędów kwantowych oraz random circuit sampling. Tego rodzaju algorytmiczne benchmarki są najlepszym narzędziem do oceny ogólnej wydajności układu – kontynuuje założyciel Google Quantum AI.

– Istotne są również inne, bardziej szczegółowe wskaźniki wydajności. Na przykład nasze czasy T1, które mierzą, jak długo kubity mogą utrzymać wzbudzenie – kluczowy zasób obliczeniowy w systemach kwantowych – obecnie osiągają niemal 100 µs (mikrosekund). To imponująca, pięciokrotna poprawa w stosunku do poprzedniej generacji chipów – dodaje.

Nowa era obliczeń kwantowych

Willow to dowód, że komputery kwantowe są gotowe na kolejny krok. To nie tylko narzędzie badawcze, ale również potencjalny fundament dla nowych technologii, które mogą zmienić sposób, w jaki rozwiązujemy największe wyzwania współczesności.

– Kolejnym wyzwaniem w dziedzinie obliczeń kwantowych jest zademonstrowanie „użytecznych, wykraczających poza klasyczne” obliczeń na dzisiejszych chipach kwantowych, które są istotne dla rzeczywistego zastosowania. Jesteśmy optymistycznie nastawieni, że generacja chipów Willow pomoże nam osiągnąć ten cel. Do tej pory przeprowadzono dwa rodzaje eksperymentów. Z jednej strony realizowaliśmy benchmark RCS, który mierzy wydajność w porównaniu z komputerami klasycznymi, ale nie ma znanych zastosowań praktycznych. Z drugiej strony wykonaliśmy interesujące naukowo symulacje systemów kwantowych, które doprowadziły do nowych odkryć, ale wciąż mieszczą się w zakresie możliwości klasycznych komputerów. Naszym celem jest połączenie tych dwóch podejść – wkroczenie w obszar algorytmów, które są poza zasięgiem komputerów klasycznych i jednocześnie mają praktyczne, komercyjnie istotne zastosowania – wyjaśnia Hartmut Neven.

Czy Willow jest przełomem, który otwiera drzwi do ery praktycznych zastosowań komputerów kwantowych? Wszystko na to wskazuje. Dla Google Quantum AI to dopiero początek drogi, która, jak podkreślają badacze, ma na celu nie tylko wyznaczanie standardów technologicznych, ale także przekształcenie przyszłości nauki i przemysłu.

– Moi koledzy czasami pytają mnie, dlaczego porzuciłem dynamicznie rozwijającą się dziedzinę sztucznej inteligencji, aby skupić się na obliczeniach kwantowych. Moja odpowiedź jest prosta: obie te technologie będą jednymi z najbardziej transformacyjnych w naszych czasach, ale zaawansowana AI znacząco skorzysta z dostępu do obliczeń kwantowych. Właśnie dlatego nasze laboratorium nazwaliśmy Quantum AI – mówi Hartmut Neven. – Algorytmy kwantowe mają fundamentalne prawa skalowania po swojej stronie, co widzimy na przykładzie benchmarku RCS. Podobne korzyści skalowania dotyczą wielu podstawowych zadań obliczeniowych kluczowych dla AI. Obliczenia kwantowe będą niezastąpione przy zbieraniu danych treningowych niedostępnych dla klasycznych maszyn, optymalizacji i szkoleniu określonych architektur uczenia oraz modelowaniu systemów, w których efekty kwantowe odgrywają kluczową rolę. Obszary zastosowań obejmują odkrywanie nowych leków, projektowanie bardziej wydajnych baterii do samochodów elektrycznych oraz przyspieszanie postępów w badaniach nad energią fuzji i alternatywnymi źródłami energii. Wiele z tych przyszłych, przełomowych aplikacji będzie poza zasięgiem klasycznych komputerów — czeka na odblokowanie dzięki obliczeniom kwantowym.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!