Přibližuje se kvantové výpočty realitě?

Kvantová výpočetní technika - myšlenka práce s počítači, které vykazují kvantové vlastnosti, jako je schopnost držet více států současně - byla diskutována po dlouhou dobu, ale nyní se zdá, že se blíží realitě, s některými velkými pokroky. Na konferenci Techonomy z minulého týdne jsem měl možnost uspořádat panel na toto téma s představiteli některých společností, které tlačí obálku na toto téma, včetně D-Wave a IBM.

Bryan Jacobs, konzultant společnosti Berberian & Company, který nabízí rady v oblasti kvantového zpracování dat, vysvětlil, že ve všech elektronice, kterou dnes používáme, jsou informace ukládány prostřednictvím náboje elektronu, který je buď zapnutý nebo vypnutý; jinými slovy, trochu. Pokud však kódujete informace v kvantovém stavu, jako je jeden elektron nebo foton, můžete je mapovat na nulu a jeden, stejně jako běžný klasický bit, ale také na superpozici, kde může být nula a jedna současně.. Vysvětlil, že zajímavá představa je, že pokud máte kvantový počítač, který má velké množství těchto kvantových bitů - často nazývaných qubity -, můžete jej spustit v superpozici všech možných vstupů současně, a pak, pokud můžete zpracovávat informace kvantově koherentním způsobem, v určitém smyslu můžete vypočítat stejnou funkci na všech možných vstupech současně. Je znám jako kvantový paralelismus. Poznamenal, že existuje několik různých přístupů, které lidé dnes zkoušejí - jeden je založen na bráně, což je spíš jako tradiční digitální počítače, a druhý je podobný analogickému procesu známému jako kvantové žíhání.

Vern Brownell, generální ředitel společnosti D-Wave Systems, který dodal několik strojů, které používají kvantové žíhání, uvedl, že jeho společnost se rozhodla použít tento přístup jako první “, protože jsme si mysleli, že nám to dá schopnost rychleji než jakýkoli jiný typ kvantové výpočetní implementace. “ Řekl, že D-Wave se podíval i na jiné modely kvantového počítání, ale tento přístup byl nejvíce pragmatický.

Vysvětlil, že má účinně kvantový žíhač s tisíci qubits, který je schopen prozkoumat odpověď dvou různých možností. V zásadě to funguje na složitých optimalizačních problémech a vypadá, že najde nejnižší energii nebo nejlepší odpověď na tento optimalizační problém. Brownell poznamenal, že Google nyní upgradoval dříve zakoupený stroj pro svou kvantovou laboratoř umělé inteligence a zkoumal, jak může pomoci při strojovém učení. Dalším zákazníkem je Lockheed, který se zabývá problémem nazývaným ověřování a ověřování softwaru.

Brownell uznal, že ani jeden z těchto příkladů dosud neproběhl do výroby, ale řekl, že provozovali skutečné aplikace, které řeší skutečné problémy v měřítku. Jinými slovy, ještě nedosáhli bodu, kdy stroj D-Wave překonává klasické superpočítače, ale řekl: „Jsme tomu velmi blízcí.“ V příštích několika měsících společnost ukáže, „že kvantový počítač dokáže překonat to nejlepší z toho, co klasický výpočetní systém dokáže. Právě teď jsme v tomto závěsu.“

Mark Ritter, významný výzkumný pracovník a vedoucí pracovník oddělení fyzických věd ve výzkumném středisku IBM TJ Watson, vysvětlil, že jeho tým dělá řadu různých kvantových projektů, ale svou práci zaměřil na kvantové výpočty založené na bráně a korekci chyb.

Jeden z teoretiků jeho týmu, Sergey Bravyi, vymyslel „topologický paritní kód“. Vysvětlil, že kódy pro opravu chyb používáme také v tradičních počítačích, ale že kvantové informace jsou velmi křehké, takže pro vytvoření systému založeného na bráně potřebujete kód k ochraně těchto křehkých kvantových informací. Jeho tým vytvořil čtyřbitový systém s qubity zvanými „transmony“, které si mohou uchovat některé kvantové informace po delší dobu as kódem pro opravu chyb může vytvořit kvantové zpracování založené na bráně. Řekl, že je to jako čtvercová mříž, kde jsou křivky na vrcholech milimetrového papíru; algoritmus pak překrývá tento kód přes qubits. Cílem IBM je umět do tohoto algoritmu přidat další a další qubity. Brzy řekl, že kvantový stav bude možné zachovat na neurčito.

Poznamenal, jak kvantové brány využívají zapletení napříč všemi qubity a podívají se na všechny potenciální stavy. Srovnáme to s interferenčním vzorem, který vidíte, když spouštíte hodně kamenů v rybníce, a získáváte konstruktivní a destruktivní interference. Nejlepší odpověď bude konstruktivně narušena, řekl, a tato odpověď bude jedinou odpovědí, se kterou nakonec skončí, pokud bude na tento problém jediná odpověď. V kvantovém počítači založeném na bráně, řekl, můžete využít rušení v tomto kódování, abyste na konci procesu dostali odpověď, a to by mělo být exponenciálně urychleno pro určité algoritmy.

I když to může být ještě daleko, Ritter řekl, že lidé také přemýšlejí o tom, jak používat qubity ke spuštění analogových simulací s vysokou koherencí, jako je simulace různých molekul. Jacobs souhlasil s kvantovou simulací a hovořil o chemických simulacích stabilních molekul k nalezení léků.

Zeptal jsem se na Shorův algoritmus, který naznačuje, že s kvantovým počítačem byste mohli rozbít hodně konvenční kryptografie. Jacobs použil analogii raketové lodi, která se pokoušela poslat astronauty na Měsíc. Jacobs řekl, že algoritmus, který provádí problém, který se pokoušíme vyřešit, jako je Shorův algoritmus, je podobný řídícímu modulu raketové lodi a že korekce chyb - jako je to, na čem pracuje Ritterův tým - je jako fáze rakety. Ale, jak řekl, typy motorů na palivo nebo raketové motory, které máme nyní, nestačí pro raketovou loď jakékoli velikosti. Řekl, že je to velmi složitá otázka, a že všechny režijní náklady spojené s prováděním kvantových výpočtů a opravou chyb znamenají, že mnoho algoritmů, které dnes vypadají opravdu slibně, nemusí vyčnívat. Brownell řekl, že si myslel, že máme dekádu nebo více, než kvantové počítače mohou přerušit šifrování RSA, a my se musíme přesunout k post-kvantové kryptografii.

Brownell zdůraznil, že model brány kvantového zpracování je velmi odlišný od kvantového žíhání a hovořil o tom, jak je užitečné při řešení některých optimalizačních problémů dnes. Také řekl, že může téměř vyřešit problémy, které jsou mimo dosah klasických počítačů. U některých benchmarků poznamenal, že Google zjistil, že stroj D-Wave dokáže vyřešit problémy někde na řádech 30 - 100 000x rychleji, než by dnes mohl běžný algoritmus pro obecné účely. I když to nebyl užitečný algoritmus, uvedl, že jeho tým se zaměřuje na algoritmy skutečného použití, které mohou využít tuto schopnost, protože jeho procesor stupnice výkonu každých 12–18 měsíců.

Brownell dnes porovnával kvantové výpočty s Intelem v roce 1974, kdy vyšel s prvním mikroprocesorem. Byl v tom okamžiku u společnosti Digital Equipment Corp. a řekl, že v té době „se nás Intel nijak zvlášť nezajímal, protože měli tyto levné malé mikroprocesory, které nebyly zdaleka tak výkonné jako tyto velké krabice a věci, které jsme měli. Ale během deseti let víte, že podnikání bylo úplně pryč a Digital přestal fungovat. “ Řekl, že ačkoliv si nemyslel, že by kvantové výpočty ohrožovaly celý klasický výpočetní svět, očekává, že tato přírůstková vylepšení v procesorech bude každých 18 měsíců vidět do té míry, že to bude schopnost, která bude nezbytná pro IT manažery. a vývojáři k použití.

Zejména řekl, že D-Wave vyvinul pravděpodobnostní algoritmy učení, některé z nich v hlubokém vzdělávacím prostoru, které dokážou lépe rozpoznávat věci a trénovat, než je možné provádět bez kvantového počítání. Nakonec to vidí jako zdroj v cloudu, který bude velmi využíván v součinnosti s klasickými počítači.

Ritter uvedl, že je těžké skutečně porovnat jakoukoli z kvantových metod s klasickými stroji, které provádějí výpočetní techniku ​​pro obecné účely, protože lidé vyrábějí akcelerátory a používají GPU a FPGA určené pro specifické úkoly. Řekl, že pokud jste vlastně navrhli ASIC, který byl specifický pro řešení vašeho problému, skutečné kvantové výpočty se skutečnou akcelerací by měly porazit všechny z nich, protože každý qubit, který přidáte, zdvojnásobí tento konfigurační prostor. Jinými slovy, sestavení tisíc qubitů by mělo zvětšit prostor o 2x1 000. sílu, což poznamenal, že je více než počet atomů ve vesmíru. A řekl, u počítačů založených na bráně je problém v tom, že brány fungují pomaleji než váš mobilní telefon, takže se děje více operací najednou, ale každá operace je pomalejší než u klasického počítače. „Proto musíte udělat větší stroj, než uvidíte tento crossover, “ řekl.

Jacobs poukázal na to, jak mnohem účinnější kvantové zpracování může být. "Pokud se podíváte na energii, kterou to vyžaduje, pomocí nejlepších super zelených super počítačů na světě, pokud byste chtěli udělat simulaci 65bit, vyžadovalo by to asi jednu jadernou elektrárnu, " ​​řekl, "a pak, pokud jste chtěli 66 by vyžadovalo dvě jaderné elektrárny. ““

Brownell řekl, že s více než 1 000 qubity by současný stroj D-Wave teoreticky zvládl modely až 2 až 1 000, což odpovídá 10 až 300. (Pro srovnání, řekl, vědci odhadují, že ve vesmíru je jen asi 10 až 80 atomů.) Takže říká, že limity výkonu na počítači nejsou způsobeny omezeními v kvantovém žíhání, ale spíše omezením v I / O funkce, technický problém, který je řešen v každé nové generaci. Podle některých algoritmů by měl být podnikový 1152-qubitový stroj 600krát výkonnější než to, co dokážou klasické počítače.

Architektura D-Wave, která používá matici křižovatek se spojkami, které se v některých ohledech podobají neuronové síti, měla počáteční aplikaci na hluboké učení neuronových sítí při strojovém učení.

Hovořil však také o dalších aplikacích, jako je spuštění simulací Monte Carlo, které používal v Goldman Sachs (kde byl CIO) pro výpočet hodnoty rizika. Vzpomněl si, že to trvalo asi milion jader a musel běžet přes noc. Teoreticky by kvantový počítač mohl dělat podobné věci s mnohem menší energií. Řekl, že stroj D-Wave používá velmi málo, ale musí běžet ve velké lednici, která udržuje velmi nízké teploty (asi 8 milikelvinů), ale že samotný stroj zabere jen asi 15-20 kW, což je docela malé pro datové centrum.

Ritter zmínil podobnou myšlenku pro model založený na bráně a prodiskutoval kvantové vzorkování metropolí, které řekl, že je ekvivalentem kvantového Monte Carlo, ale s různými statistikami kvůli vlastnostem zapletení.

Ritterův tým pracuje na kvantové analogové simulaci, kde dokáže vypočítat a zmapovat molekulární design do spojení qubits a nechat jej vyřešit ideální režimy a všechna chování molekuly, což řekl, že je velmi těžké, jakmile se dostanete kolem 50 elektronů.

Jacobs diskutoval o kvantové kryptografii, která zahrnuje klíč, který je generován způsobem, který může prokázat, že na vysílání nikdo neposlouchal. Ritter řekl, že IBM Charlie Bennett teoretizoval techniku ​​„teleportování“ quittu na spoji do jiného qubitu ve stroji, ale řekl, že si myslí, že takové techniky jsou více než pár let venku.

Jacobs poukázal na rozdíly mezi kvantovým hradlovým výpočtem a kvantovým žíháním, zejména v oblasti korekce chyb, a poznamenal, že existuje jiná metoda, tak zvaná topologická kvantová výpočetní technika, na které Microsoft pracuje.

Jednou zajímavou výzvou je psaní aplikací pro takové stroje, které Ritter popsal jako odesílání tónů ve specifické frekvenci, které způsobují, že různé qubity rezonují a vzájemně interagují v čase, což způsobuje, že se výpočet počítá „téměř jako hudební skóre“. Poznamenal, že existují jazyky vyšší úrovně, ale že hodně práce stále vyžaduje teoretika. Jacobs poznamenal, že existují různé úrovně kvantových jazyků s otevřeným zdrojovým kódem, jako jsou QASM a Quipper, oba zaměřené převážně na model kvantové brány. Brownell poznamenal, že na kvantovém žíhání nedošlo tolik aktivity, protože to bylo donedávna kontroverznější, a uvedl, že D-Wave musí hodně dělat tuto práci sám a pracuje na přesunu jazyků na vyšší úrovně. Do pěti let doufá, že bude stejně snadné jako GPU nebo jiný druh klasického zdroje.