Ali je kvantno računanje bližje resničnosti?

O kvantnem računalništvu - ideji o delu z računalniki, ki kažejo kvantne lastnosti, na primer, da lahko hkrati hranijo več stanj -, se že dolgo razpravlja, zdaj pa se zdi, da se bliža resničnosti z velikimi napredki. Na prejšnji tedenski konferenci Techonomy sem imel priložnost voditi skupino na to temo z voditelji nekaterih podjetij, ki na to temo potiskajo ovojnico, vključno z D-Waveom in IBM-om.

Bryan Jacobs, svetovalec pri Berberian & Company, ki ponuja svetovanje o kvantnem računalništvu, je pojasnil, da se v vsej elektroniki, ki jo uporabljamo danes, informacije shranjujejo prek naboja elektrona, ki je vklopljen ali izklopljen; z drugimi besedami, malo. Če pa podatke kodirate v kvantnem stanju, kot en sam elektron ali foton, lahko to preslikate v nič in eno, tako kot navadni klasični bit, ampak tudi superpozicijo, kjer je lahko nič in ena hkrati. Pojasnil je, da je zanimiv pojem, da če imate kvantni računalnik z velikim številom teh kvantnih bitov - ki jih pogosto imenujemo qubits - lahko začnete hkrati s superpozicijo vseh možnih vnosov in nato, če lahko obdelujejo informacije na kvantno koherenten način, v nekem smislu lahko isto funkcijo izračunate na vseh možnih vhodih hkrati. Znan je kot kvantni paralelizem. Opozoril je, da danes obstaja nekaj različnih pristopov, ki jih ljudje poskušajo - eden temelji na vratih, ki je bolj podoben tradicionalnim digitalnim računalnikom, drugi pa je podoben analognemu postopku, znan kot kvantno žarjenje.

Vern Brownell, izvršni direktor podjetja D-Wave Systems, ki je dejansko dostavil nekaj strojev, ki uporabljajo kvantno žarjenje, je dejal, da se je njegovo podjetje najprej odločilo za ta pristop, "ker smo mislili, da nam bo to omogočilo hitrejše zmogljivosti kot katera koli druga vrsta kvantov izvajanje računalništva. " Povedal je, da je D-Wave gledal tudi na druge modele kvantnega računanja, vendar je bil ta pristop najbolj pragmatičen.

Pojasnil je, da ima učinkovito kvantni sevalnik s tisoč kubiki, ki lahko raziskujejo prostor za odgovore z različnimi možnostmi od dva do števila kitov. V bistvu to deluje na zapletene težave z optimizacijo in išče najnižjo energijo ali najboljši odgovor na to težavo z optimizacijo. Brownell je ugotovil, da je Google zdaj nadgradil prej kupljeni stroj za svoj kvantni laboratorij za umetno inteligenco in preučil, kako lahko to pomaga pri strojnem učenju. Druga stranka je podjetje Lockheed, ki se spopada s težavo, imenovano preverjanje in potrjevanje programske opreme.

Brownell je priznal, da nobeden od teh primerov še ni zašel v proizvodnjo, vendar je dejal, da imajo zagnane resnične aplikacije, ki resnično rešujejo resnične težave. Z drugimi besedami, še niso dosegli točke, ko stroj D-Wave presega klasične superračunalnike, a je dejal, "da smo s tem zelo blizu." V naslednjih nekaj mesecih bo podjetje pokazalo, da "kvantni računalnik lahko presega najboljše, kar lahko počne klasično računalništvo. Trenutno smo na tej točki tečaja."

Mark Ritter, ugledni znanstveni sodelavec in višji vodja oddelka za fizikalne vede v IBM-ovem raziskovalnem centru WJS Watson, je razložil, da njegova ekipa izvaja številne različne kvantne projekte, svoje delo pa je osredotočila na kvantno računanje in popravljanje napak na podlagi vrat..

Eden od teoretikov njegove ekipe, Sergej Bravyi, je izumil "topološko kodeks paritete". Pojasnil je, da kode za odpravljanje napak uporabljamo tudi v tradicionalnih računalnikih, vendar pa so kvantne informacije zelo krhke, zato za izdelavo sistema, ki temelji na vratih, potrebujete kodo za zaščito teh krhkih kvantnih informacij. Njegova ekipa je ustvarila 4-kbitni sistem s kitovi, imenovanimi "transmoni", ki lahko ohranijo nekaj kvantnih informacij za daljše obdobje in s kodo za odpravo napak lahko ustvarijo kvantno računanje na podlagi vrat. Dejal je, da je to kot kvadratna rešetka, kjer so kiti v zgornjem robu graf papirja; algoritem nato to kodo namesti nad qubits. IBM-ov cilj je, da bi temu algoritmu lahko dodali vedno več qubitov. Povedal je, da bo kmalu mogoče kvantno stanje ohraniti v nedogled.

Opozoril je, kako kvantna vrata uporabljajo zapletanje po vseh kubitih in si ogledujejo vsa potencialna stanja, primerjajoč to z vzorcem motenj, ki ga vidite, ko v ribnik spustite veliko kamenja in dobite konstruktivne in uničevalne posege. Najboljši odgovor bo konstruktivno posegel, je dejal, in ta odgovor bo edini odgovor, ki ga boste našli na koncu, če obstaja enoten odgovor na težavo. Po njegovem mnenju lahko v kvantnem računalniku, ki temelji na zapornikih, v to kodiranje uporabite interferenco, da dobite odgovor na koncu postopka in da bi bilo treba to določiti za nekatere algoritme.

Čeprav je to še vedno možno odpraviti, je Ritter dejal, da ljudje razmišljajo tudi o uporabi qubitov za izvajanje analognih simulacij z visoko koherenco, kot je simulacija različnih molekul. Jacobs se je strinjal o kvantni simulaciji in govoril o kemičnih simulacijah stabilnih molekul, da bi našli droge.

Vprašal sem o Shorjevem algoritmu, ki nakazuje, da bi s kvantnim računalnikom lahko zlomil veliko običajne kriptografije. Jacobs je uporabil analogijo raketne ladje, ki je poskušala poslati astronavte na Luno. Jacobs je dejal, da je algoritem, ki izvaja težavo, ki jo poskušamo rešiti, kot je Shorjev algoritem, podoben ukaznemu modulu raketne ladje in da je odpravljanje napak - kot na primer Ritterjeva ekipa - podobno kot v fazah rakete. Toda vrste motorjev z gorivi ali raketnimi motorji, ki jih trenutno imamo, ne zadostujejo za raketno ladjo velikosti. Povedal je, da gre za zelo težavno vprašanje in da vsa previsoka stroška, ​​povezana s kvantnimi izračuni in odpravljanjem napak, pomeni, da se mnogi algoritmi, ki danes izgledajo res obetavni, morda ne bodo izogibali. Brownell je dejal, da je po njegovem mnenju minilo desetletje ali več, preden bodo kvantni računalniki lahko prekinili šifriranje RSA in morali bomo preiti na postkvantno kriptografijo.

Brownell je poudaril, da se model kvantnega računanja zelo razlikuje od kvantnega žarjenja, in spregovoril o tem, kako koristen je pri reševanju nekaterih problemov optimizacije danes. Dejal je tudi, da lahko skoraj reši težave, ki so zunaj dosega klasičnih računalnikov. Po nekaterih merilih je Google ugotovil, da lahko stroj D-Wave reši težave nekje v vrstnem redu 30-100.000x hitreje, kot bi danes lahko uporabil algoritem splošne namene. Čeprav to ni bil uporaben algoritem, je dejal, da se njegova ekipa osredotoča na algoritme dejanske uporabe, ki lahko izkoristijo to sposobnost, saj procesor dosega uspešnost vsakih 12-18 mesecev.

Brownell je kvantno računalništvo danes primerjal z Intelom leta 1974, ko je izšel s prvim mikroprocesorjem. Takrat je bil z Digital Equipment Corp. in je dejal, da takrat "nismo bili posebej zaskrbljeni zaradi Intela, saj so imeli te poceni majhne mikroprocesorje, ki niso bili niti približno tako močni kot te velike škatle in stvari, ki smo jih imeli. Toda v desetih letih veste, da poslovanja ni bilo več in Digital je prenehal poslovati. " Dejal je, da čeprav misli, da kvantno računalništvo ne bo ogrozilo celotnega klasičnega računalniškega sveta, pričakuje, da bodo te postopne izboljšave procesorjev videli vsakih 18 mesecev, do točke, ko bo to zmožnost, ki bo potrebna za vodje IT in razvijalce za uporabo.

Posebej je dejal, da je D-Wave razvil verjetnostne algoritme za učenje, od katerih so nekateri v globokem učnem prostoru, ki lahko bolje prepoznajo stvari in trenirajo, kot jih je mogoče brez kvantnega računanja. Sčasoma to vidi kot vir v oblaku, ki ga bodo zelo uporabljali v komplimentu s klasičnimi računalniki.

Ritter je dejal, da je težko resnično primerjati katero koli kvantno metodo s klasičnimi stroji, ki izvajajo splošne namene računanja, ker ljudje delajo pospeševalnike in uporabljajo GPU in FPGA, zasnovane za posebne naloge. Dejal je, da če ste dejansko zasnovali ASIC, ki je značilen za reševanje vaše težave, bi realno kvantno računalništvo z resničnim pospeševanjem moralo premagati katerega koli od njih, ker vsak kubit, ki ga dodate, podvoji ta konfiguracijski prostor. Z drugimi besedami, združevanje tisoč kubitov bi moralo prostor povečati za 2x1000 . moč, za katero je ugotovil, da je večja od števila atomov v vesolju. In, kot je dejal, pri računalniku z zapornicami je težava v tem, da vrata delujejo počasneje kot vaš mobilni telefon, zato se naenkrat zgodi več operacij, vendar je vsaka operacija počasnejša kot pri klasičnem računalniku. "Zato morate narediti večji stroj, preden boste videli ta križanec, " je dejal.

Jacobs je izpostavil, kako učinkovitejše je lahko kvantno računanje. "Če pogledate, kako potrebna je uporaba najboljših super zelenih super računalnikov na svetu, če bi želeli narediti približno 65-kubično simulacijo, bi potrebovali približno eno jedrsko elektrarno, " je dejal, "in potem, če bi želeli za to bi potrebovali dve jedrski elektrarni."

Brownell je dejal, da lahko z več kot 1000 kubiki trenutni stroj D-Wave teoretično upravlja z modeli od 2 do 1000, kar ustreza 10 do 300. (Za primerjavo, po njegovem mnenju znanstveniki ocenjujejo, da je v vesolju le okoli 10 do 80 atomov.) Torej pravi, da omejitve zmogljivosti v računalniku niso posledica omejitev kvantnega žarjenja, temveč omejitve v I / O funkcije, inženirsko vprašanje, ki se ga loteva vsaka nova generacija. V nekaterih algoritmih referenčnih vrednosti naj bi bil 1152-kubični stroj podjetja 600-krat zmogljivejši od najboljšega, kar lahko storijo klasični računalniki, trdi.

D-Wave arhitektura, ki uporablja matrico qubita s sklopkami, ki na nek način spominja na nevronsko mrežo, je imela začetno uporabo pri nevronskih mrežah globokega učenja v strojnem učenju.

Govoril pa je tudi o drugih aplikacijah, kot je na primer enakovredna simulacijam Monte Carla, ki jih je nekoč delal v Goldman Sachsu (kjer je bil CIO) za izračun vrednosti tveganja. Spomnil se je tega, da je potreboval približno milijon jeder in da je moral teči čez noč. Teoretično bi kvantni računalnik lahko naredil podobne stvari z veliko manj energije. Povedal je, da stroj D-Wave porabi zelo malo, vendar ga je treba poganjati v velikem hladilniku, ki vzdržuje zelo nizke temperature (približno 8 milikelvin), sam stroj pa potrebuje le približno 15-20 kW, kar je precej malo za podatkovni center.

Ritter je omenil podobno idejo za model, ki temelji na vratih, in razpravljal o kvantnem vzorčenju metropole, za katerega je dejal, da je enakovreden kvantnemu Monte Carlu, vendar z različnimi statistikami zaradi lastnosti zapletenosti.

Ritterjeva ekipa deluje na kvantni analogni simulaciji, kjer lahko izračuna in preslika molekularno zasnovo v povezavo kubitov in jo reši idealnih načinov in vseh vedenj molekule, kar je dejal, da je zelo težko, ko dobiš približno 50 elektronov.

Jacobs je razpravljal o kvantni kriptografiji, ki vključuje ključ, ki je ustvarjen na način, ki lahko dokaže, da nihče ni poslušal prenosa. Ritter je dejal, da je IBM-ov Charlie Bennett teoretiziral tehniko za "teleportiranje" qubita na povezavi v drug kubit v stroju, vendar je dejal, da meni, da je takšnih tehnik več kot nekaj let.

Jacobs je opozoril na razlike med računanjem kvantnih vrat in kvantnim žarjenjem, zlasti na področjih odpravljanja napak, in opozoril, da obstaja še ena metoda, ki se imenuje topološko kvantno računalništvo, ki ga dela Microsoft.

Zanimiv izziv je pisanje aplikacij za take stroje, ki jih je Ritter opisal kot pošiljanje tonov v določeni frekvenci, ki povzročajo, da različni qubits pravočasno odmevajo in medsebojno delujejo, zaradi česar se izračunavanje odvija skoraj "kot glasbena partitura." Opozoril je, da obstajajo jeziki na višji ravni, vendar je za veliko dela še vedno potreben teoretik. Jacobs je opozoril, da obstajajo različne ravni odprtokodnih kvantnih jezikov, kot sta QASM in Quipper, ki sta se v veliki meri osredotočila na model kvantnih vrat. Brownell je ugotovil, da pri kvantnem žarjenju ni bilo toliko dejavnosti, ker je bilo do nedavnega bolj kontroverzno, in dejal, da mora D-Wave veliko dela opraviti sam in si prizadeva za premik jezikov na višje ravni. V petih letih upa, da bo enostaven za uporabo kot GPU ali druga vrsta klasičnega vira.