Anthropic Claude Mythos 5 การออกแบบวงจรควอนตัมลดจำนวนเกตลงอย่างมาก

Claude Mythos 5 ของ Anthropic ได้พัฒนาการออกแบบวงจรควอนตัมที่ต้องการเกตน้อยกว่าวิธีการก่อนหน้านี้ถึง 17 เท่า ผลลัพธ์นี้อาจช่วยวิศวกรในการดำเนินการอัลกอริธึมควอนตัมที่ต้องการทรัพยากรการคำนวนน้อยลง และเสนอวิธีใหม่ในการแก้ไขความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญที่สุดในควอนตัมคอมพิวติ้ง: การสร้างสมดุลระหว่างความต้องการหน่วยความจำและเวลาในการประมวลผล การออกแบบนี้เกิดจากการทดลองที่มีการนำโดยนักวิจัย Andi Gu ซึ่งดำเนินการผ่านโครงการนักวิจัย STEM ของ Anthropic เป็นเวลา 53 ชั่วโมง

Claude ได้พัฒนาอัลกอริธึมทางคณิตศาสตร์ที่สามารถย้อนกลับได้สำหรับการคำนวณโค้งวงรี และได้ร่วมมือกับนักวิจัยจาก Harvard University และ QuEra Computing ในการทำงานนี้ ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าการออกแบบวงจรอัตโนมัติมีแนวโน้มที่จะเร่งความก้าวหน้าในควอนตัมคอมพิวติ้งที่ใช้งานได้จริง

คอมพิวเตอร์ควอนตัมประมวลผลข้อมูลผ่านควอนตัมบิต (qubits) ซึ่งควอนตัมบิตเหล่านี้สามารถแสดงสถานะในรูปแบบการซ้อนทับ อย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีอยู่ในปัจจุบันมีเพียงไม่กี่ร้อยถึงไม่กี่พันควอนตัมบิต และการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในระหว่างกระบวนการคำนวณ ดังนั้นวิศวกรจึงต้องทำให้วงจรควอนตัมมีประสิทธิภาพสูงสุด การดำเนินการแต่ละครั้งจะใช้ทรัพยากรการคำนวณ และการจัดเก็บผลลัพธ์ชั่วคราวจะต้องใช้ควอนตัมบิตเพิ่มเติม วงจรควอนตัมยังไม่สามารถละทิ้งข้อมูลชั่วคราวได้ง่าย ๆ เนื่องจากการดำเนินการของพวกเขาต้องรักษาความสามารถในการย้อนกลับ การค้นพบใหม่จากโครงการนักวิจัย STEM ของเราแสดงให้เห็นว่าวงจรควอนตัมที่ออกแบบโดย Claude Mythos 5 ตามคำแนะนำที่ชัดเจนมีประสิทธิภาพดีกว่าการออกแบบที่ดีที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบัน โดยในบางกรณีสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้หลายระดับ

อัลกอริธึมใหม่ในการปรับปรุงการคำนวณโค้งวงรี

Anthropic มอบหมายงานการปรับปรุงให้กับ Claude ซึ่งครอบคลุมถึงเคมี การจำลองทางกายภาพ การปรับแต่ง ทฤษฎีจำนวน และการคำนวณเชิงตัวเลข รวมถึงอีกแปดส่วนประกอบการคำนวณ เครื่องมือประเมินอัตโนมัติจะตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบแต่ละชิ้นและให้คะแนนความต้องการทรัพยากร Claude Mythos 5 สามารถปรับปรุงข้อเสนอของตนได้โดยไม่ต้องมีการแทรกแซงจากมนุษย์ในวงจรการออกแบบและทดสอบซ้ำ ๆ ผลลัพธ์สุดท้ายมีการปรับปรุงจากการออกแบบที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้ โดยในบางกรณีการลดลงถึงหลายระดับ ผลลัพธ์ที่น่าทึ่งอย่างหนึ่งเกี่ยวข้องกับการย้อนกลับโมดูล ซึ่งเป็นการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในคณิตศาสตร์โค้งวงรี

การดำเนินการนี้มีบทบาทสำคัญในอัลกอริธึมควอนตัมที่มุ่งเป้าไปที่ปัญหาลอการิธึมเชิงโค้งวงรี Claude มุ่งเน้นไปที่อัลกอริธึมที่เรียกว่า divsteps ซึ่งทำให้การคำนวณง่ายขึ้นผ่านการดำเนินการเงื่อนไขซ้ำ ๆ คอมพิวเตอร์คลาสสิกสามารถดำเนินการวิธีนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่การแปลงเป็นวงจรควอนตัมทำให้เกิดปัญหาการจัดเก็บที่สำคัญ วงจรที่สามารถย้อนกลับได้ต้องเก็บข้อมูลเพียงพอเพื่อสร้างขั้นตอนการคำนวณแต่ละขั้นตอนใหม่ ดังนั้น divsteps จึงต้องบันทึกการตัดสินใจที่แตกแขนง ซึ่งอาจใช้ควอนตัมบิตเพิ่มเติมจำนวนมาก Claude ได้พัฒนาวิธีการในการกู้คืนการตัดสินใจเหล่านี้จากค่ากลางโดยตรง

ศักยภาพและความท้าทายของการออกแบบอัตโนมัติ

เขาได้อนุมานอสมการทางคณิตศาสตร์เพื่อสร้างวิธีนี้ และได้ทดสอบความเป็นไปได้ผ่านการจำลองเชิงตัวเลข โดยสุดท้ายได้ใช้ Lean ในการทำให้ถูกต้อง วงจรสุดท้ายไม่จำเป็นต้องเก็บประวัติการตัดสินใจที่แตกแขนงทั้งหมด Claude ได้สำรวจการออกแบบแบบผสม ซึ่งการออกแบบเหล่านี้เก็บข้อมูลบางส่วนและสร้างข้อมูลที่เหลือขึ้นมาใหม่ หนึ่งในการออกแบบที่ใช้ควอนตัมบิตมากกว่าการออกแบบที่น้อยที่สุดถึง 12% แต่จำนวนเกตที่ต้องการลดลงถึง 17 เท่า ความสมดุลนี้ขยายทางเลือกสำหรับวิศวกรที่ทำงานบนฮาร์ดแวร์ควอนตัมที่จำกัด

Anthropic ยังรายงานถึงการปรับปรุงในงานออกแบบวงจรอื่น ๆ หนึ่งในการปรับปรุงได้ลดต้นทุนของขั้นตอนที่แพงที่สุดในอัลกอริธึมการปรับแต่งควอนตัมชั้นนำลงประมาณ 12 เท่า ผลลัพธ์เหล่านี้เกิดขึ้นจากความพยายามหลายปีในการลดทรัพยากรที่จำเป็นสำหรับควอนตัมคอมพิวติ้งที่ใช้งานได้จริง นักวิจัยได้ประมาณการในปี 2017 ว่าการจำลองพลังงานสถานะพื้นฐานของ FeMoco ซึ่งเกี่ยวข้องกับการตรึงไนโตรเจนชีวภาพจะต้องใช้เกต Toffoli ประมาณ 500 ล้านล้านเกต ความก้าวหน้าภายหลังได้ลดการประมาณการนี้ลงเหลือประมาณ 340 ล้านเกต ลดลงประมาณ 150,000 เท่า

Anthropic เชื่อว่าการปรับปรุงวงจรอัตโนมัติจะช่วยเร่งความก้าวหน้าในลักษณะเดียวกัน อย่างไรก็ตามยังคงมีอุปสรรคที่สำคัญ คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังต้องการการแก้ไขข้อผิดพลาดที่ดีกว่า การควบคุมฮาร์ดแวร์ที่เชื่อถือได้ และระบบที่สามารถจัดการควอนตัมบิตที่เปราะบางในระหว่างการคำนวณระยะยาว แม้จะมีเช่นนั้น วงจรที่ออกแบบโดย AI ก็ยังช่วยให้นักวิจัยใช้เครื่องจักรในอนาคตได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

รายการ	สเปค
จำนวนเกตวงจรควอนตัม	ลดลงเหลือ 1/17
อัลกอริธึมการย้อนกลับโมดูล	ปรับปรุงวิธี divsteps
อัตราการใช้ควอนตัมบิต	มากกว่าการออกแบบที่น้อยที่สุด 12%

ผลกระทบของการออกแบบวงจรอัตโนมัติและความท้าทายในอนาคต

การออกแบบวงจรควอนตัมของ Claude Mythos 5 แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการออกแบบอัตโนมัติในควอนตัมคอมพิวติ้ง โดยเฉพาะในการลดจำนวนเกตและความต้องการในการจัดเก็บ ซึ่งไม่เพียงแต่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการคำนวณ แต่ยังสามารถเปิดทางไปสู่การใช้งานควอนตัมคอมพิวติ้งได้จริง อย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญในด้านการแก้ไขข้อผิดพลาดและการควบคุมฮาร์ดแวร์ การวิจัยในอนาคตจำเป็นต้องมุ่งเน้นไปที่ปัญหาเหล่านี้เพื่อให้แน่ใจว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำงานได้อย่างเสถียรในระหว่างการคำนวณระยะยาว เพื่อให้สามารถนำไปใช้ในวงกว้างได้