Kvantové výpočty - myšlienka pracovať s počítačmi, ktoré vykazujú kvantové vlastnosti, ako napríklad schopnosť držať viac štátov súčasne - sa diskutovalo už dlhý čas, ale teraz sa zdá, že sa približuje realite, s určitými veľkými pokrokmi. Na minulotýždňovej konferencii Techonomy som mal príležitosť usporiadať panel na túto tému s vedúcimi predstaviteľmi niektorých spoločností, ktoré tlačia obálku na túto tému vrátane spoločností D-Wave a IBM.
Bryan Jacobs, konzultant spoločnosti Berberian & Company, ktorý ponúka poradenstvo v oblasti kvantového počítania, vysvetlil, že vo všetkej elektronike, ktorú dnes používame, sa informácie ukladajú prostredníctvom náboja elektrónu, ktorý je buď zapnutý alebo vypnutý; inými slovami, trochu. Ak však kódujete informácie v kvantovom stave, napríklad ako jeden elektrón alebo fotón, môžete ich mapovať na nulu a jeden, rovnako ako obyčajný klasický bit, ale tiež na superpozíciu, kde môže byť nula a jedna súčasne., Vysvetlil, že zaujímavá predstava je, že ak máte kvantový počítač, ktorý má veľké množstvo týchto kvantových bitov - často nazývaných qubity -, môžete ho spustiť v superpozícii všetkých možných vstupov súčasne a potom, ak môžete spracovávať informácie kvantovo koherentným spôsobom, v istom zmysle môžete vypočítať rovnakú funkciu na všetkých možných vstupoch súčasne. Je to známe ako kvantový paralelizmus. Poznamenal, že existuje niekoľko rôznych prístupov, ktoré sa dnes ľudia snažia - jeden je založený na bráne, ktorý je skôr ako tradičné digitálne počítače, a druhý je skôr podobný analógovému procesu, známymu ako kvantové žíhanie.
Vern Brownell, generálny riaditeľ spoločnosti D-Wave Systems, ktorý dodal niekoľko strojov, ktoré používajú kvantové žíhanie, uviedol, že jeho spoločnosť sa rozhodla použiť tento prístup ako prvý “, pretože sme si mysleli, že nám to dá schopnosť rýchlejšie ako akýkoľvek iný druh kvantovej technológie. implementácia výpočtovej techniky. “ Povedal, že D-Wave sa pozrel aj na ďalšie modely kvantového počítania, ale tento prístup bol pragmatický.
Vysvetlil, že efektívne má kvantového žíhača s tisíckami qubitov, ktoré sú schopné preskúmať priestor odpovedí rôznych možností. V podstate to funguje na komplexných problémoch s optimalizáciou a zdá sa, že nájde najnižšiu energiu alebo najlepšiu odpoveď na tento problém s optimalizáciou. Brownell poznamenal, že spoločnosť Google teraz inovovala predtým zakúpený stroj pre svoje kvantové laboratórium umelej inteligencie a skúmala, ako to môže pomôcť pri strojovom učení. Ďalším zákazníkom je spoločnosť Lockheed, ktorá skúma problém nazývaný overovanie a overovanie softvéru.
Brownell uznal, že ani jeden z týchto príkladov sa do výroby ešte nedostal, ale uviedol, že spustil reálne aplikácie, ktoré riešia skutočné problémy v mierke. Inými slovami, ešte nedosiahli bod, v ktorom by D-Wave stroj prekonal klasické superpočítače, ale povedal: „Tomu sme veľmi blízko.“ V najbližších mesiacoch spoločnosť ukáže, „že kvantový počítač dokáže prekonať to najlepšie, čo dokáže klasická výpočtová technika. Práve teraz sme v tomto závesnom bode.“
Mark Ritter, významný vedecký pracovník a vedúci oddelenia v odbore fyzikálnych vied v IBM TJ Watson Research Center, vysvetlil, že jeho tím robí množstvo rôznych kvantových projektov, ale svoju prácu zameral na kvantové výpočty založené na bráne a korekcie chýb,
Jeden z teoretikov v jeho tíme, Sergey Bravyi, vymyslel „topologický paritný kód“. Vysvetlil, že kódy na opravu chýb používame aj v tradičných počítačoch, ale že kvantové informácie sú veľmi krehké, takže na vytvorenie systému založeného na bráne potrebujete kód na ochranu týchto krehkých kvantových informácií. Jeho tím vytvoril 4-qubitový systém s qubitmi nazývanými „transmóny“, ktoré dokážu uchovať niektoré kvantové informácie dlhšiu dobu a pomocou kódu na opravu chýb môžu vytvoriť kvantové výpočty založené na bráne. Povedal, že je to ako štvorcová mriežka, kde sú kríže na vrchole grafického papiera; algoritmus potom prekrýva tento kód cez qubits. Cieľom IBM je byť schopný do tohto algoritmu pridať viac a viac qubits. Čoskoro povedal, že kvantový štát bude môcť neurčito udržať.
Poznamenal, ako kvantové brány používajú zapletenie cez všetky vtáky a pozerajú sa na všetky potenciálne stavy, porovnávajúc to so vzorcom rušenia, ktorý vidíte, keď hodíte veľa kameňov do rybníka, a získajú konštruktívne a deštruktívne rušenie. Najlepšia odpoveď bude konštruktívne zasiahnutá, povedal, a táto odpoveď bude jedinou odpoveďou, ktorú nakoniec skončí, ak bude na tento problém jediná odpoveď. V kvantovom počítači založenom na bráne povedal, že môžete využiť interferenciu v tomto kódovaní, aby ste dostali odpoveď na konci procesu, a že by to malo byť exponenciálne urýchlené pre určité algoritmy.
Aj keď to môže byť ešte ďaleko, Ritter povedal, že ľudia uvažujú aj o tom, ako používať qubity na spustenie analógových simulácií s vysokou koherenciou, napríklad na simuláciu rôznych molekúl. Jacobs súhlasil s kvantovou simuláciou a hovoril o chemických simuláciách stabilných molekúl pri hľadaní liekov.
Spýtal som sa na Shorov algoritmus, ktorý naznačuje, že s kvantovým počítačom by ste mohli zlomiť veľa konvenčnej kryptografie. Jacobs použil analógiu raketovej lode, ktorá sa snažila poslať astronautov na Mesiac. Jacobs uviedol, že algoritmus, ktorý vykonáva problém, ktorý sa pokúšame vyriešiť, napríklad Shorov algoritmus, je podobný príkazovému modulu raketovej lode a že korekcia chýb - napríklad na tom, na čom pracuje Ritterov tím - je ako fázy. rakety. Povedal však, že typy motorov s palivovými alebo raketovými motormi, ktoré máme teraz, nie sú postačujúce pre raketové lode akejkoľvek veľkosti. Povedal, že je to veľmi chúlostivá otázka a že všetky režijné náklady spojené s vykonávaním kvantových výpočtov a korekciou chýb znamenajú, že mnohé z algoritmov, ktoré dnes vyzerajú skutočne sľubne, nemusia vyčnievať. Brownell povedal, že si myslel, že máme desať alebo viac rokov, než kvantové počítače môžu prerušiť šifrovanie RSA, a my sa musíme presunúť k post-kvantovej kryptografii.
Brownell zdôraznil, že model brány v kvantovom výpočte je veľmi odlišný od kvantového žíhania a hovoril o tom, aké užitočné je to pri riešení niektorých problémov s optimalizáciou dnes. Uviedol tiež, že môže takmer vyriešiť problémy, ktoré sú mimo dosahu klasických počítačov. V súvislosti s niektorými referenčnými hodnotami zistil, že Google zistil, že stroj D-Wave by mohol niekde vyriešiť problémy rádovo 30 - 100 000x rýchlejšie, ako by mohol dnes fungovať algoritmus na všeobecné použitie. Aj keď to nebol užitočný algoritmus, uviedol, že jeho tím sa sústreďuje na algoritmy skutočného použitia, ktoré môžu využiť túto schopnosť, pretože jeho procesor meria výkon každých 12 až 18 mesiacov.
Brownell dnes porovnával kvantové výpočty s procesormi Intel v roku 1974, keď vyšiel s prvým mikroprocesorom. V tom čase bol v spoločnosti Digital Equipment Corp. a povedal, že „v tom čase nás spoločnosť Intel obzvlášť neznepokojovala, pretože mali tieto lacné malé mikroprocesory, ktoré neboli ani zďaleka tak výkonné ako tieto veľké skrinky a veci, ktoré sme mali. Ale v priebehu desiatich rokov viete, že podnikanie bolo úplne preč a spoločnosť Digital skončila svoju činnosť. ““ Povedal, že hoci si nemyslel, že kvantové výpočty ohrozia celý klasický výpočtový svet, očakáva, že tieto prírastkové vylepšenia v procesoroch sa budú každých 18 mesiacov prejavovať až do takej miery, že to bude schopnosť, ktorá bude potrebná pre IT manažérov. a vývojári na použitie.
Najmä povedal, že D-Wave má spoluvyvinuté pravdepodobnostné učebné algoritmy, niektoré z nich v hlbokom vzdelávacom priestore, ktoré dokážu lepšie rozoznať veci a trénovať, ako sa dá urobiť bez kvantového počítania. Nakoniec to vidí ako zdroj v cloude, ktorý sa bude veľmi používať v kompliancii s klasickými počítačmi.
Ritter uviedol, že je ťažké skutočne porovnať ktorúkoľvek z kvantových metód s klasickými strojmi, ktoré vykonávajú výpočty na všeobecné účely, pretože ľudia vyrábajú urýchľovače a používajú GPU a FPGA určené na konkrétne úlohy. Povedal, že ak ste skutočne navrhli ASIC, ktorý bol špecifický pre vyriešenie vášho problému, skutočné kvantové výpočty so skutočnou akceleráciou by mali poraziť ktorúkoľvek z nich, pretože každý qubit, ktorý pridáte, zdvojnásobí tento konfiguračný priestor. Inými slovami, spojením tisíc quitov by sa mal priestor zväčšiť o 2 000. moc, čo poznamenal, že je väčší ako počet atómov vo vesmíre. A s počítačom založeným na bráne povedal, že problém je v tom, že brány fungujú pomalšie ako váš mobilný telefón, takže narazíte na viac operácií, ale každá operácia je pomalšia ako na klasickom počítači. „Preto musíte urobiť väčší stroj, než uvidíte tento crossover, “ povedal.
Jacobs poukázal na to, ako oveľa efektívnejšie môže byť kvantové počítanie. „Ak sa pozriete na výkon, ktorý je potrebný s použitím najlepších super zelených super počítačov na svete, ak ste chceli urobiť simuláciu s 65 bitmi, vyžadovalo by to asi jednu jadrovú elektráreň, “ povedal, „a potom, ak ste chceli 66 by si vyžadovali dve jadrové elektrárne. ““
Brownell povedal, že s viac ako 1 000 bitov by súčasný stroj D-Wave teoreticky zvládol modely až do 2 000 až 1 000, čo zodpovedá 10 až 300. (Na porovnanie vedci odhadujú, že vo vesmíre je len asi 10 až 80 atómov.) Hovorí teda, že limity výkonu na počítači nie sú spôsobené obmedzeniami v kvantovom žíhaní, ale skôr obmedzením v I / O funkcie, technický problém, ktorý sa rieši v každej novej generácii. Podľa niektorých algoritmov by mal byť stroj spoločnosti 1152-qubit 600-krát výkonnejší ako to, čo dokážu klasické počítače.
Architektúra D-Wave, ktorá používa maticu qubits s väzbami, ktoré sa v niektorých ohľadoch podobajú neurónovej sieti, mala počiatočné použitie na hlboké učenie neurónových sietí v strojovom učení.
Hovoril však aj o ďalších aplikáciách, napríklad o spustení ekvivalentu simulácií Monte Carlo, ktoré používal pri výpočtoch hodnoty rizika v Goldman Sachs (kde bol CIO). Pamätal si, že to zabralo asi milión jadier a musel bežať cez noc. Teoreticky by kvantový počítač mohol robiť podobné veci s oveľa menšou energiou. Povedal, že stroj D-Wave používa veľmi málo, ale musí bežať vo veľkej chladničke, ktorá udržuje veľmi nízke teploty (asi 8 milikelvinov), ale že samotný stroj zaberie len asi 15 - 20 kW, čo je dosť malé. pre dátové centrum.
Ritter sa zmienil o podobnej myšlienke pre model založený na bráne a diskutoval o vzorkovaní kvantových metropol, ktoré povedal, že je ekvivalentom kvantového Monte Carlo, ale s rôznymi štatistikami kvôli vlastnostiam zapletenia.
Ritterov tím pracuje na kvantovej analógovej simulácii, kde môže vypočítať a zmapovať molekulárny návrh do spojenia qubits a nechať ho vyriešiť ideálne módy a všetky chovanie molekuly, čo povedal, že je veľmi ťažké, keď sa dostanete okolo 50 elektrónov., Jacobs diskutoval o kvantovej kryptografii, ktorá zahŕňa kľúč, ktorý je vygenerovaný spôsobom, ktorý môže dokázať, že na prenose nikto nepočúval. Ritter uviedol, že Charlie Bennett spoločnosti IBM teoretizoval techniku „teleportovania“ štvorca na spojke do iného štvorca v stroji, ale povedal, že si myslí, že takéto techniky sú už viac ako pár rokov.
Jacobs poukázal na rozdiely medzi kvantovým hradlovým výpočtom a kvantovým žíhaním, najmä v oblasti korekcie chýb, a poznamenal, že existuje ďalšia metóda nazývaná tiež topologické kvantové výpočty, na ktorej Microsoft pracuje.
Jednou zo zaujímavých výziev je písanie aplikácií pre také stroje, ktoré Ritter opísal ako posielanie tónov v špecifickej frekvencii, ktoré spôsobujú, že rôzne qubity rezonujú a vzájomne interagujú v čase, čo spôsobuje, že výpočet sa vyskytuje „takmer ako hudobné skóre“. Poznamenal, že existujú jazyky na vyššej úrovni, ale že ešte veľa práce si vyžaduje teoretika. Jacobs poznamenal, že existujú rôzne úrovne kvantových jazykov s otvoreným zdrojom, ako napríklad QASM a Quipper, ktoré sa zameriavajú prevažne na model kvantovej brány. Brownell poznamenal, že na kvantovom žíhaní sa nevykonalo toľko aktivít, pretože to bolo donedávna kontroverznejšie, a uviedol, že D-Wave musí veľa urobiť sám a pracuje na presúvaní jazykov na vyššiu úroveň. Dúfa, že do piatich rokov bude rovnako jednoduché ako GPU alebo iný druh klasického zdroja.
