Je li kvantno računanje bliže stvarnosti?

Dugo se raspravljalo o kvantnom računarstvu - ideji rada s računalima koja pokazuju kvantna svojstva, poput mogućnosti da se istovremeno drže više stanja -, ali čini se da se sada približava stvarnosti, s nekim velikim napretkom. Na prošlotjednoj konferenciji Techonomy imao sam priliku ugostiti tribinu o toj temi s liderima nekih kompanija koje guraju omotnicu na ovu temu, uključujući D-Wave i IBM.

Bryan Jacobs, savjetnik tvrtke Berberian & Company, koja nudi savjete o kvantnom računanju, objasnio je da se u cijeloj elektronici koju danas koristimo pohranjuju informacije putem naboja elektrona koji je uključen ili isključen; drugim riječima, malo. Ali ako podatke kodirate u kvantnom stanju, poput jednog elektrona ili fotona, to možete preslikati u nulu i jedan, baš kao i obični klasični zalogaj, ali i superpoziciju, gdje može biti jednaka nuli i jedna istovremeno, Objasnio je da je zanimljiv pojam da ako imate kvantno računalo koje ima veliki broj tih kvantnih bitova - koji se često nazivaju kubiti - možete ih pokrenuti istovremeno s superpozicijom svih mogućih ulaza, a zatim, ako možete obraditi informacije na kvantno koherentan način, u određenom smislu možete izračunati istu funkciju na svim mogućim ulazima istovremeno. Poznat je kao kvantni paralelizam. Napomenuo je da danas postoji nekoliko različitih pristupa kojima se ljudi pokušavaju - jedan je zasnovan na vratima, što je više poput tradicionalnih digitalnih računala, a drugi je sličan analognom procesu, poznatom kao kvantno žarenje.

Vern Brownell, izvršni direktor D-Wave Systems, koji je zapravo isporučio nekoliko strojeva koji koriste kvantno žarenje, rekao je da je njegova tvrtka prvo odabrala taj pristup ", jer smo mislili da će nam to pružiti sposobnost brže od bilo koje druge vrste kvantnih računalna implementacija. " Rekao je da je D-Wave gledao i na druge modele kvantnog računanja, ali taj je pristup bio najpragmatičniji.

Objasnio je da učinkovito ima kvantni raspršivač s tisuću kubika, koji su u stanju istražiti prostor odgovora s različitim mogućnostima od dva do broja. U osnovi to radi na složenim problemima optimizacije i traži pronalazak najniže energije ili najbolji odgovor na taj problem optimizacije. Brownell je napomenuo da je Google sada nadogradio prethodno kupljeni stroj za svoj kvantni laboratorij umjetne inteligencije, ispitujući kako to može pomoći u strojnom učenju. Drugi je klijent Lockheed koji proučava problem koji se zove provjera i provjera softvera.

Brownell je priznao da nijedan od ovih primjera još nije započeo proizvodnju, ali rekao je da su pokrenuli prave aplikacije koje rješavaju stvarne probleme u razmjeru. Drugim riječima, još uvijek nisu dosegli točku u kojoj stroj D-Wave nadmašuje klasična superračunala, ali on je rekao "vrlo smo blizu toga." U narednih nekoliko mjeseci, tvrtka će pokazati "da kvantno računalo može nadmašiti ono najbolje što klasično računarstvo može. Trenutno smo na tom mjestu zgloba."

Mark Ritter, ugledni član istraživačkog osoblja i stariji voditelj odjela za fizičke znanosti u istraživačkom centru IBM TJ Watson, objasnio je da njegov tim radi niz različitih kvantnih projekata, ali je svoj rad usmjerio na kvantno računanje i ispravljanje pogrešaka na bazi kapija,

Jedan od teoretičara iz svog tima, Sergej Bravyi, izumio je "topološki kôd pariteta". Objasnio je da i kod tradicionalnih računala koristimo kodove za ispravljanje pogrešaka, ali da su kvantne informacije vrlo krhke, pa da biste napravili sustav temeljen na vratima, potreban vam je kôd za zaštitu tih krhkih kvantnih informacija. Njegov tim stvorio je 4-kbitni sustav, s kubitima nazvanim "transmoni" koji mogu zadržati neke od kvantnih informacija duže vrijeme, a pomoću koda za ispravljanje pogrešaka mogu stvoriti kvantno računanje temeljeno na vratima. Rekao je da je ovo poput četvrtaste rešetke u kojoj se kubiti nalaze na vrhovima graf papira; algoritam zatim nadzire ovaj kôd nad kbitima. IBM-ov cilj je omogućiti dodavanju sve više qubita u taj algoritam. Rekao je da će uskoro moći kvantno stanje sačuvati u nedogled.

Primijetio je kako kvantna vrata koriste zamke u svim kubitima i pregledavaju sva potencijalna stanja, uspoređujući to s uzorkom smetnji koji vidite kada bacate puno kamenja u ribnjak i dobijete konstruktivne i destruktivne smetnje. Najbolji će se odgovor konstruktivno miješati, rekao je, a ovaj će odgovor biti jedini odgovor na koji ćete završiti, ako postoji jedinstveni odgovor na problem. Na kvantnom računalu sa sjedištem na vratima, rekao je, možete upotrijebiti smetnje u ovom kodiranju kako biste dobili odgovor na kraju postupka, te da bi to trebalo eksponencijalno utrošiti za određene algoritme.

Iako je to još uvijek moguće odstupiti, Ritter je rekao da ljudi također razmišljaju o korištenju qubita za pokretanje analognih simulacija s velikom koherencijom, poput simulacije različitih molekula. Jacobs se složio oko kvantne simulacije i razgovarao o kemijskim simulacijama stabilnih molekula za pronalaženje lijekova.

Pitao sam o Shor-ovom algoritmu, koji sugerira da s kvantnim računalom možeš slomiti velik dio konvencionalne kriptografije. Jacobs je koristio analogiju raketnog broda pokušavajući poslati astronaute na Mjesec. Jacobs je rekao da je algoritam koji izvršava problem koji pokušavamo riješiti, kao što je Shor-ov algoritam, sličan naredbenom modulu raketnog broda, te da je ispravljanje pogreške - poput onoga na čemu radi Ritter-ov tim - poput faza rakete. Ali, rekao je, vrste motora ili raketnih motora koje trenutno imamo, nisu dovoljne za rakete bilo koje veličine. Rekao je da je to vrlo škakljivo pitanje i da sav nadzemni trošak povezan s kvantnim proračunima i ispravljanjem pogrešaka znači da se mnogi algoritmi koji danas izgledaju stvarno obećavajuće možda neće izostaviti. Brownell je rekao da misli da imamo desetljeće ili više prije nego što kvantna računala mogu slomiti RSA enkripciju i morat ćemo se prebaciti na postkvantnu kriptografiju.

Brownell je naglasio da se model kvantnog računanja vrata vrlo razlikuje od kvantnog žarenja, te je govorio o tome koliko je koristan kod rješavanja određenih problema optimizacije danas. Također je rekao da se gotovo mogu riješiti problemi izvan dosega klasičnih računala. Na nekim je referentnim vrijednostima, napomenuo je, Google otkrio da bi D-Wave stroj mogao rješavati probleme negdje redom 30-100.000x brže nego što bi algoritam opće namjene mogao danas. Iako ovo nije koristan algoritam, rekao je da se njegov tim fokusira na algoritme slučaja stvarne uporabe koji mogu iskoristiti ovu sposobnost jer njegov procesor mjeri učinak na svakih 12-18 mjeseci.

Brownell je danas usporedio kvantno računarstvo s Intelom 1974. kada je izašao s prvim mikroprocesorom. U tom je trenutku bio s Digital Equipment Corp., i rekao da u to vrijeme „nismo bili posebno zabrinuti zbog Intela, jer su imali ove male jeftine mikroprocesore koji nigdje nisu bili tako moćni kao ove velike kutije i stvari koje smo imali. Ali u roku od deset godina, znate, posao je potpuno propao i Digital je prestao raditi. " Rekao je da, iako nije mislio da će kvantno računanje ugroziti čitav klasični računalni svijet, očekuje da će ta inkrementalna poboljšanja u procesorima vidjeti svakih 18 mjeseci, do točke kada će to biti sposobnost koja će biti potrebna IT menadžerima i programere za upotrebu.

D-Wave je posebno rekao da je D-Wave razvio vjerojatne algoritme učenja, od kojih su neki u dubokom prostoru učenja koji omogućuju bolji posao prepoznavanja stvari i obuke nego što je to moguće bez kvantnog računanja. Na kraju, on to vidi kao resurs u oblaku koji će se jako koristiti u skladu s klasičnim računalima.

Ritter je rekao da je teško stvarno usporediti bilo koju kvantnu metodu s klasičnim strojevima koji izvršavaju računanje opće namjene, jer ljudi prave akceleratore i koriste GPU i FPGA dizajnirane za specifične zadatke. Rekao je da ako ste zapravo dizajnirali ASIC koji je specifičan za rješavanje vašeg problema, pravi kvantni računar s stvarnim ubrzanjem trebao bi pobijediti bilo koji od njih, jer svaki kbit koji dodate duplira taj konfiguracijski prostor. Drugim riječima, spajanje tisuće kubita zajedno trebalo bi povećati prostor za 2x1000. Snagu, za koju je napomenuo da je veća od broja atoma u svemiru. A, rekao je, s računarom sa sjedištem na vratima problem je u tome što kapije rade sporije od vašeg mobitela, pa se odjednom događa više operacija, ali svaka operacija je sporija nego na klasičnom računalu. "Zato morate napraviti veći stroj prije nego što vidite ovaj crossover", rekao je.

Jacobs je istaknuo koliko bi moglo biti efikasnije kvantno računanje. "Ako pogledate snagu koja je potrebna koristeći najbolja super zelena super računala na svijetu, ako želite napraviti simulaciju od 65 kubika, za to bi bila potrebna jedna nuklearna elektrana", rekao je, "a onda ako želite da bi se to učinilo 66 bile bi potrebne dvije nuklearne elektrane."

Brownell je rekao da bi s više od 1000 kubika, trenutni D-Wave stroj teoretski mogao obraditi modele od 2 do 1000, što odgovara 10 do 300 ^th. (Za usporedbu, rekao je, znanstvenici procjenjuju da postoji samo oko 10 do 80 atoma u svemiru.) Dakle, on kaže da ograničenja u performansama na računalu nisu zbog ograničenja u kvantnom žarenju, već zbog ograničenja u I / O funkcije, inženjerski problem koji se rješava u svakoj novoj generaciji. Prema nekim algoritmima s referentnim vrijednostima, 1152-kbitni stroj tvrtke trebao bi biti 600 puta snažniji od najboljeg što mogu učiniti klasična računala, tvrdi on.

D-Wave arhitektura, koja koristi matricu qubita s spojnicama koje na neki način nalikuju neuronskoj mreži, imala je početnu primjenu u neuronskim mrežama dubokog učenja u strojnom učenju.

No, govorio je i o drugim primjenama, poput pokretanja ekvivalenta Monte Carlo simulacija, što je prije radio u Goldman Sachsu (gdje je bio CIO) za proračun vrijednosti i rizika. Sjećao se toga kako uzima oko milijun jezgara i mora preko noći trčati. Teoretski, kvantno računalo bi moglo raditi slične stvari s puno manje energije. Rekao je da stroj D-Wave koristi vrlo malo, ali ga treba pokretati unutar velikog hladnjaka koji održava vrlo niske temperature (oko 8 milikelvina), ali da samom stroju treba samo oko 15-20 kW, što je prilično malo za podatkovni centar.

Ritter je spomenuo sličnu ideju za model temeljen na kapiji i raspravljao o kvantnom uzorkovanju metropola za koje je rekao da je ekvivalent kvantnom Monte Carlu, ali s različitim statistikama zbog svojstava zapetljanja.

Ritter-ov tim radi na kvantnoj analognoj simulaciji gdje može izračunati i preslikati molekulski dizajn u vezu qubita i omogućiti mu da riješe idealne moduse i sva ponašanja molekula, što je rekao da je vrlo teško kada dobijete oko 50 elektrona, Jacobs je raspravljao o kvantnoj kriptografiji koja uključuje ključ koji se generira na način koji može dokazati da nitko nije slušao prijenos. Ritter je rekao da je Charlie Bennett iz IBM-a teoretizirao tehniku ​​za "teleportiranje" qubita na poveznici u drugi qubit u stroju, ali rekao je kako misli da takve tehnike postoje više od nekoliko godina.

Jacobs je istaknuo razlike između računanja kvantnih vrata i kvantnog žarenja, posebno u područjima ispravljanja pogrešaka, te napomenuo da postoji i druga metoda koja se naziva i topološkim kvantnim računanjem na kojoj Microsoft radi.

Jedan zanimljiv izazov je pisanje aplikacija za takve strojeve, koje je Ritter opisao kao slanje tonova specifičnom frekvencijom koja uzrokuju da različiti qubits odjekuju i međusobno komuniciraju s vremenom, što uzrokuje da se računanja odvijaju "gotovo poput glazbene partiture". Napomenuo je da postoje jezici više razine, ali da za puno rada još treba teoretičar. Jacobs je napomenuo da postoje različite razine kvantnih jezika otvorenog koda, poput QASM-a i Quippera, koji su se uglavnom usredotočili na model kvantnih vrata. Brownell je napomenuo da nije bilo toliko aktivnosti na kvantnom žarenju, jer je do nedavno bilo kontroverznije i rekao je da je D-Wave morao puno toga učiniti sam, te da radi na premještanju jezika na više razine. U roku od pet godina nada se da će ga biti jednako jednostavno koristiti kao GPU ili drugu vrstu klasičnog resursa.