A kvantumszámítás közelebb áll a valósághoz?

A kvantumszámításról - a kvantumtulajdonságokat mutató számítógépekkel való együttműködésről, például több állapot egyidejű tárolására való képességről - már régóta vitatkoztak, ám most úgy tűnik, hogy közelebb kerül a valósághoz, némi nagy előrelépéssel. A múlt heti Techonomy konferencián lehetőségem volt egy szakértői testület befogadására, azon társaságok vezetőivel együtt, akik a kérdéses borítékot tolják fel, ideértve a D-Wave-t és az IBM-t is.

Bryan Jacobs, a Berberian & Company tanácsadója, amely tanácsadást nyújt a kvantumszámításhoz, elmagyarázta, hogy az általunk használt minden elektronikában az információkat egy elektronikus töltésen keresztül tárolják, akár be van, akár ki; más szóval, egy kicsit. De ha egy információt kvantumállapotban kódol, mint egyetlen elektron vagy foton, akkor hozzárendeli azt egy nullához és egyhez, akárcsak egy szokásos klasszikus bit, hanem egy szuperpozíció, ahol nulla és egy lehet egyidejűleg. Elmagyarázta, hogy az érdekes gondolat az, hogy ha van egy kvantum-számítógépe, amely nagyszámú ilyen kvantumbittel rendelkezik - gyakran kviteknek hívják -, akkor az indíthatja az összes lehetséges bemenet szuperpozíciójában egyidejűleg, és akkor, ha képes feldolgozza az információkat kvantum koherens módon, bizonyos értelemben kiszámolhatja ugyanazt a funkciót az összes lehetséges bemeneten egyszerre. Kvantum-párhuzamosságnak nevezik. Megjegyezte, hogy van néhány különféle megközelítés, amelyet az emberek jelenleg kipróbálnak - az egyik kapu alapú, amely inkább hasonlít a hagyományos digitális számítógépekre, a másik pedig egy analóg folyamathoz hasonló, úgynevezett kvantum-lágyítás.

Vern Brownell, a D-Wave Systems vezérigazgatója, amely valójában néhány kvantumhevítést használó gépet szállított, elmondta, hogy a társaság ezt a megközelítést választotta először, mert azt gondoltuk, hogy ez gyorsabban fogja adni képességeinket, mint bármely más típusú kvantum. számítástechnikai megvalósítás. " Azt mondta, hogy a D-Wave a kvantumszámítás más modelljeire is rámutatott, ám ez a megközelítés a legpragmatikusabb.

Elmagyarázta, hogy ténylegesen van egy kvantum-lágyítója ezer kvbtel, amelyek képesek felfedezni a kvóták számától függően a különböző lehetőségek választerét. Alapvetően ez az összetett optimalizálási problémák megoldása, és arra törekszik, hogy keresse meg a legalacsonyabb energiát vagy a legjobb választ erre az optimalizálási problémára. Brownell megjegyezte, hogy a Google mostantól korszerűsítette a korábban vásárolt gépet kvantumú mesterséges intelligencia laboratóriumához, megvizsgálva, hogy ez hogyan segítheti elő a gépi tanulást. Egy másik ügyfél a Lockheed, amely a szoftver ellenőrzésének és érvényesítésének nevű problémát vizsgálja.

Brownell elismerte, hogy ezeknek a példáknak egyike sem valósult meg még mindig a termelésben, de azt állította, hogy valódi alkalmazásokat futtattak, amelyek valódi problémákat oldanak meg léptékben. Más szavakkal, még nem értek el azt a pontot, ahol a D-Wave gép felülmúlja a klasszikus szuperszámítógépeket, de azt mondta: "nagyon közel állunk ehhez". Az elkövetkező néhány hónapban a vállalat megmutatja, hogy "a kvantumszámítógép jobban felülmúlja a klasszikus számítástechnika teljesítményét. Jelenleg ezen a ponton vagyunk."

Mark Ritter, az IBM TJ Watson Kutatóközpont kiemelkedő kutatószemélyzetének és a fizikai tudományok osztályának vezető igazgatója elmondta, hogy csapata számos különféle kvantumprojekttel foglalkozik, de a kapu alapú kvantumszámításra és a hibajavításra összpontosítja munkáját..

Csapatának egyik elmélete, Szergej Bravyi "topológiai paritáskódot" talált ki. Elmondta, hogy a hibajavító kódokat is használjuk a hagyományos számítógépekben, de a kvantuminformáció nagyon törékeny, tehát egy kapu alapú rendszer elkészítéséhez kódra van szükség a törékeny kvantuminformációk védelme érdekében. Csapata létrehozott egy 4-bites rendszert, olyan transzmitoknak nevezett kvitekkel, amelyek hosszabb ideig meg tudják őrizni a kvantuminformációkat, és a hibajavító kóddal kapu alapú kvantumszámítást hozhatnak létre. Azt mondta, hogy ez olyan, mint egy négyzet alakú rács, ahol a kvitek a grafikon papír csúcsain vannak; egy algoritmus ezt a kódot ráveszi a kvitekre. Az IBM célja, hogy képes legyen egyre több qubitet hozzáadni ehhez az algoritmushoz. Azt mondta, hogy hamarosan meg tudja őrizni a kvantumállapotot határozatlan ideig.

Megállapította, hogy a kvantumos kapuk hogyan használják az összefonódást az összes kvbit során, és megvizsgálják az összes potenciális állapotot, összehasonlítva ezt az interferencia mintázattal, amelyet akkor látszunk, amikor sok követ dobnak egy tóba, és konstruktív és pusztító beavatkozást kapnak. A legjobb választ konstruktív módon zavarják - mondta. Ez a válasz lesz az egyetlen válasz, amelyre végül utal, ha egyetlen válasz van a problémára. Egy kapualapú kvantumszámítógépben - mondja - felhasználhatja a kódolás beavatkozását, hogy a folyamat végén választ kapjon, és ezt bizonyos algoritmusok esetében exponenciálisan fel kell gyorsítani.

Noha ez még mindig távol lehet, Ritter szerint az emberek arra gondolnak, hogy a kviteket nagy koherenciájú analóg szimulációk futtatására használják, például különféle molekulák szimulálására. Jacobs egyetértett a kvantumszimulációval, és a stabil molekulák kémiai szimulációjáról beszélt a gyógyszerek megtalálása érdekében.

Megkérdeztem Shor algoritmusát, amely arra utal, hogy kvantumszámítógéppel nagy mértékben megtörheti a hagyományos kriptográfia elvégzését. Jacobs egy rakétahajó analógiáját használja az űrhajósok küldésére a Holdra. Jacobs szerint az algoritmus, amely végrehajtja a megoldandó problémát, például Shor algoritmusa, hasonló a rakétahajó parancsmoduljához, és hogy a hibajavítás - például amiben Ritter csapata dolgozik - olyan, mint a szakaszok a rakéta. De, mondta, a jelenleg alkalmazott üzemanyag- vagy rakétamotor-motorok nem elégségesek semmilyen méretű rakétahajóhoz. Azt mondta, hogy ez egy nagyon bonyolult kérdés, és hogy a kvantumszámítások elvégzéséhez és a hibajavításhoz kapcsolódó összes költség azt jelenti, hogy a manapság valóban ígéretesnek látszó algoritmusok sokan nem kerülnek ki. Brownell azt mondta, hogy azt gondolja, hogy van egy évtizede vagy annál több, mielőtt a kvantumszámítógépek megszakíthatják az RSA titkosítást, és el kell lépnünk a kvantum utáni kriptográfiához.

Brownell hangsúlyozta, hogy a kvantumszámítás kapu modellje nagyon különbözik a kvantumhevítéstől, és arról beszélt, mennyire hasznos ez a mai optimalizációs problémák megoldásakor. Azt is mondta, hogy ez szinte megoldhatja azokat a problémákat, amelyeket a klasszikus számítógépek nem képesek elérni. Megjegyezte, hogy a benchmarkon a Google úgy találta, hogy a D-Wave gép valamilyen körülmények között 30-100 000x nagyságrendű problémákat tud megoldani, mint az általános célú algoritmus manapság képes lenne. Noha ez nem volt hasznos algoritmus, elmondta, hogy csapata a tényleges használati esetek algoritmusaira összpontosít, amelyek kihasználhatják ezt a képességet, mivel a processzor 12–18 havonta méretezhető.

Brownell összehasonlította a kvantumszámítást ma az Intel-rel 1974-ben, amikor az első mikroprocesszor jelent meg. Abban a pillanatban a Digital Equipment Corp.-nál volt, és azt mondta, hogy abban az időben "nem voltunk különösebben aggódva az Intel miatt, mert nekik vannak ezek az olcsó kis mikroprocesszorok, amelyek sehol sem voltak olyan nagy teljesítményűek, mint ezek a nagy dobozok és dolgok, amik voltunk. De tíz év alatt, tudod, az üzlet teljesen megszűnt, és a Digital megszűnt. " Azt mondta, hogy bár nem gondolja, hogy a kvantumszámítás veszélyeztetné az egész klasszikus számítástechnikai világot, elvárja, hogy 18 havonta megfigyelje ezeket a fokozatos javításokat a processzorokban, olyan pontra, ahol az az informatikai vezetők számára szükséges képesség lesz. és a fejlesztők számára.

Különösen, mondta: a D-Wave együtt dolgozott ki a valószínűségi tanulási algoritmusokat, amelyek közül néhányat a mély tanulási térben is képesek jobban megismerni a dolgok felismerésében és a képzésben, mint kvantumszámítás nélkül. Végül úgy látja, hogy ez egy olyan erőforrás a felhőben, amelyet nagyon sokat fognak használni a klasszikus számítógépekkel szemben.

Ritter szerint nehéz volt összehasonlítani a kvantummódszerek egyikét sem a klasszikus gépekkel, amelyek általános célú számítástechnikát hajtanak végre, mert az emberek gyorsítókat készítenek, és az egyes feladatokhoz tervezett GPU-kat és FPGA-kat használnak. Azt mondta, hogy ha ténylegesen olyan ASIC-t tervez, amely specifikusan a probléma megoldására szolgál, akkor a valódi kvantumszámításnak valós gyorsítással meg kell vernie bármelyiküket, mert minden hozzáadott qubit megduplázza a konfigurációs helyet. Más szavakkal, ha ezer kvbit összerakása növeli a teret 2x1000 ^ezer energiával, amely meghaladta az univerzum atomszámát. Azt mondta: egy kapu alapú számítógépnél a probléma az, hogy a kapuk lassabban működnek, mint a mobiltelefonod, tehát egyszerre több művelet hajtódik végre, de mindegyik művelet lassabb, mint egy klasszikus számítógépen. "Ezért nagyobb gépet kell készítenie, mielőtt megnézné ezt a keresztezést" - mondta.

Jacobs rámutatott, hogy a kvantumszámítás mennyivel hatékonyabb lehet. "Ha megnézzük a világ legjobb szuper zöld szuperszámítógépeinek felhasználásával járó energiát, ha kb. 65 kbit-es szimulációt akarsz tenni, ehhez kb. Egy atomerőműre lenne szükség" - mondta -, és akkor, ha ahhoz, hogy 66-at csináljon, két atomerőműre lenne szükség."

Brownell elmondta, hogy több mint 1000 kvbittel a jelenlegi D-Wave gép elméletileg képes kezelni a modelleket akár 2-től 1000- ^ig, ami 10-től 300- ^ig. (Összehasonlításképpen, azt mondta, a tudósok becslése szerint az univerzumban csak körülbelül 10–80 atom található.) Tehát azt mondja, hogy a számítógép teljesítményének korlátai nem a kvantum-lágyítás korlátozásai, hanem inkább az I / O funkciók, egy mérnöki kérdés, amelyre minden új generációban foglalkoznak. A referenciaalgoritmusok némelyikénél a vállalat 1152-kvbit gépének 600-szor nagyobb teljesítményűnek kell lennie, mint a klasszikus számítógépekhez képest legjobb - állítja.

A D-Wave architektúráját, amely egy olyan összekapcsolt kvbit mátrixot használ, amely bizonyos szempontból egy neurális hálózatra emlékeztet, kezdetben alkalmazta a mély tanulás idegi hálóira a gépi tanulás során.

De beszélt más alkalmazásokról is, például a Monte Carlo-szimulációk egyenértékű futtatásáról, amelyet általában az Goldman Sachs-ban (ahol CIO volt) az érték-kockázat kiszámításához. Emlékezett rá, hogy körülbelül egymillió magot vett, és egy éjszakára kellett futnia. Elméletileg egy kvantumszámítógép sokkal kevesebb energiával képes hasonló dolgokat tenni. Azt mondta, hogy a D-Wave gép nagyon kevés energiát igényel, de egy nagy hűtőszekrényen belül működnie kell, amely nagyon alacsony hőmérsékletet (kb. 8 milikelvin) tart fenn, de maga a gép csak kb. 15-20 kW-t képes futtatni, ami elég kicsi egy adatközpont számára.

Ritter megemlítette a kapu alapú modell hasonló gondolatát, és megvitatta a kvantum-metropolisz mintavételt, amely szerint a Monte Carlo kvantumának felel meg, ám az összefűző tulajdonságok miatt eltérő statisztikákkal rendelkeznek.

Ritter csapata kvantum-analóg szimuláción dolgozik, ahol kiszámítja és leképezheti a molekuláris mintát kvitek összekapcsolásává, és megkísérelheti megoldani a molekula ideális módozatait és viselkedését, ami azt mondta, hogy nagyon nehéz, ha kb. 50 elektron jut el..

Jacobs megvitatta a kvantum-kriptográfiát, amely olyan kulcsot tartalmaz, amelyet úgy generálnak, hogy bizonyítani tudja, hogy senki sem figyelt az átvitelre. Ritter szerint az Charlie Bennett az IBM elméletét fogalmazta meg annak a módszernek a segítségével, amely a linken lévő kvbitot egy másik kvbitbe teleportálja a gépen, de azt állította, hogy az ilyen technikák több mint néhány évvel régebbiek.

Jacobs rámutatott a kvantumkapu számítás és a kvantum hevítés közötti különbségekre, különösen a hibajavítás területén, és megjegyezte, hogy létezik egy másik módszer, úgynevezett topológiai kvantum számítás, amelyen a Microsoft dolgozik.

Az egyik érdekes kihívás az alkalmazások írása az ilyen gépekhez, amelyeket Ritter úgy határozott meg, mint egy olyan hangok küldését egy meghatározott frekvencián, amelyek a különböző kviteket rezonálják és időben kölcsönhatásba lépnek egymással, ami a számítás "szinte olyan, mint egy zenei partitúra" előállításához. Megjegyezte, hogy vannak magasabb szintű nyelvek, de sok munkához még mindig szükség van egy teoretikusra. Jacobs megjegyezte, hogy a nyílt forráskódú kvantumnyelvek különböző szintjei vannak, például a QASM és a Quipper, mindkettő nagyrészt a kvantumkapu modellre összpontosított. Brownell megjegyezte, hogy a kvantum-lágyítással nem volt ilyen sok tevékenység, mert a közelmúltig sokkal ellentmondásosabb volt, és azt mondta, hogy a D-Wave-nak sok feladatot kellett elvégeznie magának, és a nyelvek magasabb szintre való mozgatásán dolgozik. Öt éven belül reméli, hogy ugyanolyan könnyen használható, mint egy GPU vagy más klasszikus erőforrás.