Quantum Chip na Zuchongzhi 3.0 ng China: Bagong Pamantayan sa Pandaigdigang Karera para sa Quantum Supremacy

Quantum Chip na Zuchongzhi 3.0 ng China: Bagong Pamantayan sa Pandaigdigang Karera para sa Quantum Supremacy

Sa isang pag-unlad na nagdulot ng matinding pag-uusap sa pandaigdigang sektor ng teknolohiya, inilantad ng mga siyentipikong Tsino ang quantum processor na Zuchongzhi 3.0—isang superconducting chip na may 105 qubit at sinasabing isang quadrilyong beses na mas mabilis kaysa sa pinakamabilis na supercomputer sa mundo. Nakamit ito ng isang pangkat mula sa University of Science and Technology of China (USTC), at isa itong mahalagang yugto sa pandaigdigang karera para sa quantum supremacy. Hinahamon nito ang pangingibabaw ng mga higanteng tech sa US gaya ng Google at pumupukaw ng matinding interes mula sa mga pamahalaan, lider sa industriya, at mananaliksik sa buong mundo.

Ano ang Nagpapabago sa Zuchongzhi 3.0?

Natatangi ang processor na Zuchongzhi 3.0 dahil sa laki, bilis, at sopistikadong engineering nito. Mayroon itong 105 transmon qubit—mga quantum bit na nagsisilbing saligang yunit ng impormasyon sa isang quantum computer—na nakaayos sa parihabang grid na may 15 kolum at 7 hanay. Ginawa ang mga qubit na ito mula sa mga makabagong materyal gaya ng tantalum, niobium, at aluminum, na nakatutulong magpababa ng ingay at magpahusay ng katatagan—dalawang mahalagang salik para sa maaasahang quantum computation.

Kailangang mapanatili ng mga superconducting qubit, gaya ng mga ginagamit sa Zuchongzhi 3.0, ang kanilang quantum state (isang katangiang kilala bilang coherence) nang sapat na matagal upang maisagawa ang masalimuot na pagkukuwenta. Ipinagmamalaki ng bagong chip ang coherence time na hanggang 72 microsecond at dephasing time na 58 microsecond; kapwa itinuturing na pinakamahusay sa buong mundo. Bunga ang mga pagpapahusay na ito ng masusing engineering, kabilang ang pag-optimize sa disenyo ng qubit, pagpino sa mga paraan ng paggawa, at paggamit ng indium bump flip-chip process upang pagdugtungin ang mga bahagi nang may mataas na katumpakan at kaunting kontaminasyon.

Umabot din sa bagong antas ang gate fidelity—sukat ng katumpakan ng pagsasagawa ng mga operasyong quantum. Nakakamit ng Zuchongzhi 3.0 ang 99.90% na fidelity sa single-qubit gate at 99.62% sa two-qubit gate, mga sukatan na katumbas o mas mahusay pa kaysa sa pinakabagong quantum chip ng Google.

Gaano Kabilis ang Zuchongzhi 3.0 Kung Ihahambing sa mga Karibal Nito?

Ang pinakapumukaw ng pansin sa mga pahayag tungkol sa Zuchongzhi 3.0 ay ang pagganap nito sa pamantayang random circuit sampling (RCS). Dinisenyo ang pagsusulit na ito upang ipakita ang bentahe ng quantum computation. Kabilang dito ang pagpapatakbo ng masalimuot na pagkakasunod-sunod ng mga operasyong quantum at pagsukat sa kalalabasang distribusyon ng output—isang gawaing mabilis na nagiging imposibleng maisagawa ng mga classical supercomputer habang dumarami ang mga qubit at humahaba ang circuit.

Sa isang kamakailang eksperimento, natapos ng Zuchongzhi 3.0 ang isang RCS task na may 83 qubit at 32 cycle sa loob lamang ng ilang daang segundo. Ayon sa mga pagtataya, aabutin nang humigit-kumulang 6.4 bilyong taon upang gayahin ang kaparehong gawain sa Frontier, ang pinakamabilis na classical supercomputer sa mundo. Bilang paghahambing, naisagawa ng Sycamore chip ng Google, na naging laman ng mga balita noong 2019 dahil sa pagkamit ng “quantum supremacy,” ang katulad na gawain sa loob ng 200 segundo—na ayon sa Google ay aabutin naman ng 10,000 taon sa isang classical computer. Hindi basta unti-unting pag-unlad ang iniangat ng Zuchongzhi 3.0 kundi eksponensiyal na pagtalon, na nagpalawak nang anim na order of magnitude sa agwat ng kakayahan sa pagkukuwenta.

Nakamit din ng pinakabagong Willow chip ng Google, na mayroon ding 105 qubit, ang mga kahalintulad na resulta. Ayon sa mga pahayag, aabutin ng 10²⁵ taon para gayahin ng isang classical supercomputer ang RCS experiment nito. Gayunman, mahirap ang tuwirang paghahambing dahil magkaiba ang mga setup ng eksperimento at pagiging masalimuot ng mga circuit. Gayunman, nagkakaisa ang mga eksperto na nangunguna na ngayon sa quantum hardware ang Zuchongzhi 3.0 at Willow, at kapwa itinutulak ng mga ito ang hangganan ng teknolohikal na kakayahan.

Mga Inobasyon sa Engineering: Puso ng Tagumpay

Hindi basta pagpapalaki lamang ang pagtalon mula sa 66 qubit ng Zuchongzhi 2.0 tungo sa 105 qubit ng Zuchongzhi 3.0. Kinailangan dito ang sunod-sunod na tagumpay sa engineering:

• Materyal na Agham: Ang paggamit ng tantalum, niobium, at aluminum sa paggawa ng qubit ay nagpapababa ng ingay at nagpapahaba ng coherence time, kaya nagiging posible ang mas mahaba at mas masalimuot na pagkukuwenta.
• Flip-Chip Bonding: Nagbibigay-daan ang indium bump flip-chip process sa tumpak na pag-aayos at pagsasama ng dalawang sapphire chip, na bawat isa ay naglalaman ng bahagi ng hanay ng mga qubit. Binabawasan ng paraang ito ang kontaminasyon at pinahuhusay ang integridad ng signal.
• Na-optimize na Disenyo ng Qubit: Nabawasan ang mga error at napahusay ang katatagan dahil sa mga pagsulong sa disenyo ng capacitor pad, mga parameter ng Josephson junction, at mga layout ng wiring.
• Mga Operasyong May Mataas na Katumpakan: Mahalaga sa praktikal na quantum computing ang pagkamit ng higit sa 99.9% na gate fidelity, dahil mabilis na naiipon ang kahit maliliit na error sa malalaking circuit.

Dahil sa mga inobasyong ito, nakamit ng Zuchongzhi 3.0 ang antas ng katumpakan sa operasyon at mga rate ng error na nagtatakda ng mga bagong pamantayan sa industriya, at nagbubukas ng daan para sa mas maaasahan at mas nasusukat na mga quantum system.

Quantum Supremacy: Ano ba Talaga ang Kahulugan Nito?

Tumutukoy ang “quantum supremacy” sa puntong kayang gawin ng isang quantum computer ang gawaing halos imposibleng maisagawa ng anumang classical computer, maging ng pinakamakapangyarihang supercomputer. Sa kasalukuyan, itinuturing na pangunahing pamantayan sa pagpapakita ng bentahe na ito ang RCS benchmark, bagaman mahalagang tandaan na hindi tuwirang kapaki-pakinabang sa karamihan ng mga aplikasyon sa tunay na mundo ang mga gawaing kasama rito—sadyang dinisenyo ang mga ito upang maging mahirap para sa mga classical machine at madali para sa mga quantum machine.

Gaya ng paliwanag ni Zhu Xiaobo, punong tagadisenyo ng Zuchongzhi 3.0, may tatlong yugto ang plano para sa quantum computing:

• Mahigitan ang mga classical supercomputer sa mga partikular na gawain (quantum supremacy)
• Makahanap ng praktikal na aplikasyon ng quantum sa mga larangan gaya ng optimization, chemistry, at machine learning
• Makamit ang pangkalahatan at fault-tolerant na quantum computing na kayang lumutas ng malawak na hanay ng mga problema

Bagaman mahalagang tagumpay ang nakamit ng Zuchongzhi 3.0 sa unang yugto, nagpapatuloy pa rin ang paglalakbay tungo sa praktikal at pangkalahatang gamit na mga quantum computer. Tinataya ng mga eksperto na hindi pa makakamit ang pangkalahatan at fault-tolerant na quantum computing sa loob ng hindi bababa sa 15 taon.

Paano Maihahambing ang Zuchongzhi 3.0 sa Willow ng Google at sa Iba Pang Pandaigdigang Pagsisikap?

Pinatindi ng paglulunsad ng Zuchongzhi 3.0 ang pandaigdigang kompetisyon sa quantum computing, lalo na sa pagitan ng China at United States. Malaki ang inilaan ng dalawang bansa sa pananaliksik sa quantum, dahil kinikilala nila ang potensiyal nito sa ekonomiya, agham, at militar.

Inilunsad noong huling bahagi ng 2024 ang Willow chip ng Google. Mayroon din itong 105 qubit at kahanga-hanga ang ipinakitang pagganap nito sa mga RCS benchmark. Ayon sa mga paghahambing na pagsusuri, bahagyang mas mahusay ang Willow sa ilang sukatan ng kalidad ng qubit, gaya ng coherence time at gate fidelity. Ngunit kapantay o nahihigitan ito ng Zuchongzhi 3.0 sa iba pang sukatan, kabilang ang laki at bilis ng mga RCS experiment nito.

Kabilang sa iba pang malalaking kalahok sa larangan ang IBM, na tumatahak sa ibang landas gamit ang sarili nitong teknolohiyang superconducting qubit, at mga pangkat na Tsino na gumagawa ng mga photonic quantum computer, gaya ng seryeng Jiuzhang. May kanya-kanyang lakas at hamon ang bawat pamamaraan, at mabilis magbago ang larangan habang regular na lumilitaw ang mga bagong tagumpay.

Ang mga Heopolitikal na Pusta

Hindi lamang paligsahang pang-agham ang karera para sa quantum supremacy—may malalaking implikasyong heopolitikal din ito. Posibleng baguhin nang lubusan ng mga quantum computer ang cryptography, materyal na agham, mga parmasyutiko, logistics, at artificial intelligence. Maaari rin nilang gawing laos ang mga kasalukuyang paraan ng encryption, na nagbubunsod ng mga pangamba tungkol sa cybersecurity at pambansang seguridad.

Binigyang-diin ng US Department of Defense at iba pang ahensiya na maaaring maging banta sa estratehikong interes ang mabilis na pag-unlad ng China sa teknolohiyang quantum. Tinukoy nila ang mga pagsisikap nito sa quantum imaging, navigation, radar, at ligtas na komunikasyon. Malamang na magpapabilis sa pamumuhunan at pananaliksik sa mga teknolohiyang quantum sa buong mundo ang paglulunsad ng Zuchongzhi 3.0.

Mga Hamon sa Hinaharap: Error Correction, Scalability, at mga Praktikal na Aplikasyon

Sa kabila ng kahanga-hangang mga nagawa ng Zuchongzhi 3.0, nananatili ang malalaking hamon bago maisakatuparan ng mga quantum computer ang kanilang pangako sa mga praktikal na aplikasyon:

• Error Correction: Likás na marupok ang mga quantum system, at mabilis na naiipon ang mga error habang isinasagawa ang masalimuot na pagkukuwenta. Mahalaga ang pagbuo ng matatag na mga paraan ng pagwawasto ng error sa quantum upang makagawa ng mas malaki at mas kapaki-pakinabang na mga makina. Aktibong nagsasaliksik ang pangkat ng Zuchongzhi sa pagwawasto ng error gamit ang surface code, na naglalayong palakihin ang mga code distance at pahusayin ang fault tolerance.
• Scalability: Napakalaking hamon sa engineering ang pagsasama ng daan-daan o libu-libong de-kalidad na qubit habang pinananatili ang coherence at mababang antas ng error. Magiging mahalaga ang mga inobasyon sa disenyo ng chip, materyales, at paggawa nito.
• Pagsasama sa mga Classical System: Kailangang maayos na makakonekta ang mga quantum computer sa imprastraktura ng classical computing upang maging kapaki-pakinabang sa mga aktuwal na sitwasyon.
• Pagbuo ng mga Algorithm: Bagaman ipinakikita ng mga RCS benchmark ang bentahe ng quantum, hindi pa nalulutas na larangan ng pananaliksik ang pagbuo ng mga algorithm na mas mabilis lumutas ng mga praktikal na problema kaysa sa mga classical na pamamaraan.

Habang umuunlad ang mga pamamaraan at algorithm para sa classical simulation, patuloy ding tumataas ang pamantayan sa pagpapakita ng bentahe ng quantum. Ayon sa ilang kritiko, kahanga-hanga man ang mga RCS benchmark, maaaring hindi direktang magdulot ng epekto sa tunay na mundo ang mga ito. Gayunman, dahil sa tuluy-tuloy na pagsulong sa hardware, pagwawasto ng error, at pagbuo ng mga algorithm, papalapit sa realidad ang praktikal na quantum computing.

Mas Malawak na Epekto: Paano Babaguhin ng Quantum Computing ang Mundo?

Maaaring baguhin ng pagdating ng mga quantum computer gaya ng Zuchongzhi 3.0 ang buong industriya. Kabilang sa mga posibleng aplikasyon ang:

• Cryptography: Maaaring mabasag ng mga quantum computer ang mga encryption scheme na malawakang ginagamit, kaya kakailanganing bumuo ng cryptography na ligtas laban sa quantum computing.
• Pagtuklas ng Gamot: Maaaring imodelo ng mga quantum simulation ang masalimuot na molekula at reaksiyong kemikal, at pabilisin ang pagbuo ng mga bagong gamot.
• Materyal na Agham: Maaaring makatulong ang mga quantum computer sa pagdisenyo ng mga bagong materyal na may kanais-nais na katangian para sa enerhiya, electronics, at pagmamanupaktura.
• Optimization: Maaaring mas mahusay na lumutas ang mga quantum algorithm ng masalimuot na problema sa optimization sa logistics, pananalapi, at pamamahala ng supply chain kaysa sa mga classical computer.
• Artificial Intelligence: Maaaring magbigay-daan ang quantum machine learning sa mga bagong paraan ng pagsusuri ng datos at pagkilala ng mga pattern.

Teoretikal pa rin sa malaking bahagi ang mga posibilidad na ito, ngunit ipinahihiwatig ng mabilis na pag-unlad na maaaring lumitaw ang mga praktikal na aplikasyon ng quantum sa loob ng susunod na dekada.

Mga Tinig mula sa Larangan: Ano ang Sinasabi ng mga Eksperto

Pinuri ng mga tagasuri ng kapwa eksperto at mga espesyalista ang pananaliksik sa Zuchongzhi 3.0 bilang malaking pag-angat kumpara sa mga naunang device, at binanggit ang pinakamahusay sa buong mundo nitong pagganap at sopistikadong engineering. Nagkomento ang Nobel laureate na si Frank Wilczek tungkol sa potensiyal ng mga teknolohiyang quantum na magdulot ng malalaking pagbabago:

Magbibigay-daan ang mga kagamitang quantum na ito sa pagbuo ng mas sopistikadong mga teknolohiyang quantum, na magpapasigla sa higit pang inobasyon at mga tagumpay.

Inilahad ni Zhu Xiaobo, punong tagadisenyo, ang pananaw ng pangkat para sa hinaharap:

Hindi lamang paglagpas sa mga classical supercomputer ang nilalaman ng aming plano kundi paghahanap din ng mga praktikal na aplikasyon ng quantum at, sa huli, pagkamit ng pangkalahatan at fault-tolerant na quantum computing.

Aktibong sinasaliksik ng pangkat ang mga larangan gaya ng quantum error correction, entanglement, simulation, at quantum chemistry, bilang paghahanda sa susunod na henerasyon ng mga teknolohiyang quantum.

Buod

• May 105 superconducting qubit ang quantum chip na Zuchongzhi 3.0 ng China at sinasabing isang quadrilyong beses itong mas mabilis kaysa sa pinakamahuhusay na supercomputer sa mundo.
• Kabilang sa mga inobasyon sa engineering ng chip ang mga makabagong materyal, mga operasyong may mataas na katumpakan, at isang arkitekturang nasusukat, na nagtatakda ng mga bagong pamantayan sa quantum hardware.
• Nahigitan ng Zuchongzhi 3.0 ang Sycamore chip ng Google sa random circuit sampling, bagaman masalimuot ang tuwirang paghahambing nito sa Willow chip ng Google.
• Pinatindi ng tagumpay ang pandaigdigang karera para sa quantum supremacy, na may mahahalagang implikasyong heopolitikal at pang-ekonomiya.
• Nananatili ang malalaking hamon, kabilang ang pagwawasto ng error, scalability, at pagbuo ng mga praktikal na quantum algorithm.
• Nangangako ang quantum computing na babaguhin nang lubusan ang mga larangan gaya ng cryptography, pagtuklas ng gamot, materyal na agham, optimization, at artificial intelligence.
• Pinupuri ng mga eksperto ang Zuchongzhi 3.0 bilang mahalagang tagumpay, ngunit binibigyang-diin nilang nagpapatuloy pa ang paglalakbay tungo sa pangkalahatan at fault-tolerant na quantum computing.