Onko kvanttilaskenta lähempänä todellisuutta?

Kvanttilaskennasta - ajatuksesta työskennellä sellaisten tietokoneiden kanssa, jotka osoittavat kvanttiominaisuuksia, kuten mahdollisuuden pitää useita tiloja samanaikaisesti - on keskusteltu jo pitkään, mutta näyttää olevan nyt lähentymässä todellisuutta, jossa on joitain suuria edistysaskeleita. Viime viikon Techonomy-konferenssissa minulla oli tilaisuus isännöidä paneelia aiheesta joidenkin yritysten johtajien kanssa, jotka työntävät kirjekuoria aiheesta, mukaan lukien D-Wave ja IBM.

Berberian & Company -yrityksen konsulttina toimiva Bryan Jacobs, joka antaa neuvoja kvanttilaskennasta, selitti, että kaikessa nykypäivän elektroniikassa tiedot tallennetaan elektronin varauksen kautta, joka on joko päällä tai pois päältä; toisin sanoen, vähän. Mutta jos koodaat informaation kvanttitilassa, kuten yksittäinen elektroni tai fotoni, voit kartoittaa sen nollaan ja ykkökseen, aivan kuten tavallinen klassinen bitti, mutta myös superpositio, jossa se voi olla nolla ja yksi samanaikaisesti. Hän selitti, että mielenkiintoinen ajatus on, että jos sinulla on kvantitietokone, jolla on suuri määrä näitä kvanttibittejä - joita usein kutsutaan kviteiksi -, voit aloittaa sen kaikkien mahdollisten syötteiden superpositiossa samanaikaisesti ja sitten, jos pystyt prosessoida tietoa kvantti koherentisti, jossain mielessä voit laskea saman toiminnon kaikista mahdollisista tuloista samanaikaisesti. Se tunnetaan kvantti parallelism. Hän huomautti, että on olemassa pari erilaista lähestymistapaa, jota ihmiset kokeilevat tänään - yksi on porttipohjainen, joka muistuttaa enemmän perinteisiä digitaalisia tietokoneita, ja toinen muistuttaa tavallaan analogista prosessia, joka tunnetaan kvanttihehkutuksena.

D-Wave Systems -yrityksen toimitusjohtaja Vern Brownell, joka on tosiasiallisesti toimittanut muutaman kvanttihehkutusta käyttävän koneen, sanoi, että hänen yrityksensä päätti käyttää ensin tätä lähestymistapaa ", koska luulimme, että se aikoi antaa meille kykyä nopeammin kuin mikään muu kvanttityyppi tietotekniikan toteutus. " Hänen mukaansa D-Wave tarkasteli myös muita kvanttilaskennan malleja, mutta tämä lähestymistapa oli käytännöllisin.

Hän selitti, että käytännössä hänellä on kvanttiannattaja, jolla on tuhat kvbittiä, jotka kykenevät tutkimaan vastausalueen, joka sisältää kaksi kvittiarvoa, jotka ovat erilaisia. Pohjimmiltaan tämä toimii monimutkaisissa optimointiongelmissa ja pyrkii löytämään pienimmän energian tai parhaan vastauksen tähän optimointiongelmaan. Brownell huomautti, että Google on nyt päivittänyt aiemmin ostetun koneen kvantti tekoälyn laboratorioonsa tutkien, miten tämä voi auttaa koneoppimisessa. Toinen asiakas on Lockheed, joka tarkastelee ongelmaa, jota kutsutaan ohjelmiston varmentamiseksi ja validoimiseksi.

Brownell myönsi, että kumpikaan näistä esimerkeistä ei ole vielä mennyt tuotantoon, mutta sanoi, että he ovat suorittaneet todellisia sovelluksia, jotka ratkaisevat todelliset ongelmat mittakaavassa. Toisin sanoen, he eivät ole vielä saavuttaneet pistettä, jossa D-Wave-kone on parempi kuin klassiset supertietokoneet, mutta hän sanoi, että "olemme hyvin lähellä sitä". Muutaman seuraavan kuukauden aikana yritys näyttää ", että kvantitietokone voi ylittää parhaan kykynsä, mitä klassinen tietojenkäsittely voi tehdä. Olemme tällä hetkellä saranakohdassa".

IBM TJ Watson Research Centerin fysiikan laitoksen arvostettu tutkija ja vanhempi johtaja Mark Ritter kertoi, että hänen tiiminsä tekee useita erilaisia ​​kvanttiprojekteja, mutta on keskittynyt työssään porttipohjaiseen kvanttilaskentaan ja virheenkorjaukseen.

Yksi ryhmänsä teoreetikoista, Sergey Bravyi, keksi "topologisen pariteettikoodin". Hän selitti, että käytämme virheenkorjauskoodeja myös perinteisissä tietokoneissa, mutta että kvantitiedot ovat erittäin hauraita, joten porttipohjaisen järjestelmän luomiseen tarvitaan koodi suojaamaan tätä herkkää kvantitietoa. Hänen tiiminsä loi 4-bittisen järjestelmän, joka sisältää "siirtymiä" kutsuvia kvittejä, jotka voivat säilyttää osan kvantitiedoista pidemmän ajan ja virheenkorjauskoodilla voivat luoda porttipohjaisen kvanttilaskennan. Hän sanoi, että tämä on kuin neliöhila, jossa kvbitit ovat graafisen paperin kärjissä; algoritmi päällystetään sitten tämä koodi kvbitien yli. IBM: n tavoitteena on pystyä lisäämään yhä enemmän kvitejä tähän algoritmiin. Hän sanoi pian, että se voi pystyä säilyttämään kvantitilan loputtomiin.

Hän huomautti, kuinka kvanttiportit käyttävät takertumista kaikkiin kviteihin ja tarkastelevat kaikkia potentiaalisia tiloja vertaamalla sitä häiriömalliin, joka näet, kun pudotat paljon kiviä lampiin, ja saat rakentavia ja tuhoisia häiriöitä. Paras vastaus puuttuu rakentavasti, hän sanoi, ja tämä vastaus on ainoa lopputulos, jos ongelmaan on yksi vastaus. Hän sanoi, että porttipohjaisessa kvantitietokoneessa voidaan käyttää tämän koodauksen häiriöitä saadaksesi vastaus prosessin lopussa, ja että tätä pitäisi nopeuttaa eksponentiaalisesti tietyille algoritmeille.

Vaikka tämä saattaa vielä olla kaukana, Ritter sanoi, että ihmiset ajattelevat myös kvittien käyttöä analogisten simulaatioiden suorittamiseen korkean koheesion avulla, kuten erilaisten molekyylien simulointiin. Jacobs sopi kvantisimulaatiosta ja puhui stabiilien molekyylien kemiallisista simulaatioista lääkkeiden löytämiseksi.

Kysyin Shorin algoritmista, joka viittaa siihen, että kvantitietokoneella voit rikkoa paljon tavanomaista salausta. Jacobs käytti analogisesti rakettialusta, joka yritti lähettää astronauteja kuuhun. Jacobs sanoi, että algoritmi, joka toteuttaa ongelman, jota yritämme ratkaista, kuten Shorin algoritmi, on samanlainen kuin rakettialuksen komentomoduuli, ja että virheenkorjaus - kuten Ritterin joukkue työskentelee - on kuin vaihe raketista. Mutta hän sanoi, että tällä hetkellä meillä olevat polttoaine- tai rakettimoottorimoottorit eivät riitä minkään kokoisiin rakettialuksiin. Hän sanoi, että se on erittäin hankala kysymys, ja että kaikki kvanttilaskelmien tekemiseen ja virheenkorjaukseen liittyvät yleiskustannukset tarkoittavat, että monet nykyään todella lupaavista näyttävistä algoritmeista eivät välttämättä pannu vikaan. Brownell kertoi luulevansa, että meillä on kymmenen vuotta tai enemmän, ennen kuin kvantitietokoneet voivat rikkoa RSA-salauksen, ja meidän on siirryttävä kvantin jälkeiseen kryptografiaan.

Brownell korosti, että kvanttilaskennan porttimalli on hyvin erilainen kuin kvanttihehkutus, ja puhui siitä, kuinka hyödyllinen se on ratkaiseessa tiettyjä optimointiongelmia tänään. Hän sanoi myös, että se voi melkein ratkaista ongelmat, jotka ovat klassisten tietokoneiden ulottumattomissa. Hän on todennut, että eräissä vertailuarvoissa D-Wave-kone pystyy ratkaisemaan ongelmat jossain luokkaa 30-100 000x nopeammin kuin yleiskäyttöinen algoritmi voisi tänään. Vaikka tämä ei ollut hyödyllinen algoritmi, hän sanoi, että hänen tiiminsä keskittyy todellisen käytön tapausalgoritmeihin, jotka voivat hyödyntää tätä ominaisuutta, koska prosessori mittaa suorituskykyä 12-18 kuukauden välein.

Brownell vertasi kvanttilaskentaa tänään Inteliin vuonna 1974, kun se tuli ensimmäisen mikroprosessorin kanssa. Hän oli Digital Equipment Corp.: n kanssa tuolloin, ja sanoi, että silloin "emme olleet erityisen huolestuneita Intelistä, koska heillä oli nämä halvat pienet mikroprosessorit, jotka eivät missään tapauksessa ollut niin tehokkaita kuin nämä suuret laatikot ja asiat, joita meillä oli. Mutta tiedät, että kymmenen vuoden kuluessa liiketoiminta oli kokonaan poissa ja Digital lopetti liiketoiminnan. " Hän sanoi, että vaikka hän ei uskonut, että kvanttilaskenta vaarantaisi koko klassista tietotekniikan maailmaa, hän odottaa näkevänsä nämä suorittimien asteittaiset parannukset 18 kuukauden välein siihen pisteeseen, missä se tulee olemaan kyky, jota tarvitaan IT-päälliköille ja kehittäjät käyttävät.

Erityisesti hän sanoi, D-Wave on kehittänyt todennäköisyydenmukaisia ​​oppimisalgoritmeja, joista osa on syvän oppimisen tilassa ja jotka pystyvät paremmin tunnistamaan asiat ja harjoittelemaan kuin mitä voidaan tehdä ilman kvanttilaskentaa. Lopulta hän näkee tämän resurssina pilvessä, jota käytetään paljon kohteliaisuuteen klassisten tietokoneiden kanssa.

Ritterin mukaan oli vaikea verrata yhtäkään kvantimenetelmää klassisiin koneisiin, jotka suorittavat yleiskäyttöistä laskentaa, koska ihmiset tekevät kiihdyttimiä ja käyttävät tiettyihin tehtäviin suunniteltuja GPU: ita ja FPGA: ta. Hän sanoi, että jos suunnittelit tosiasiallisesti ASIC: n, joka oli nimenomainen ongelman ratkaisemiseksi, todellisen kvanttitietoisuuden todellisella kiihtyvyydellä pitäisi voittaa mikä tahansa niistä, koska jokainen lisäämäsi qubit tuplaa kyseisen kokoonpanotilan. Toisin sanoen tuhannen kvbitin asettamisen pitäisi lisätä tilaa 2x1000 ^{: lla} voimalla, mikä hänen mukaansa on enemmän kuin maailman atomien lukumäärä. Ja hän sanoi, että porttipohjaisen tietokoneen kanssa ongelmana on, että portit toimivat hitaammin kuin matkapuhelimesi, joten sinulla on enemmän toimintoja kerralla, mutta jokainen toiminta on hitaampaa kuin klassisessa tietokoneessa. "Siksi sinun on tehtävä suurempi kone ennen kuin näet tämän ristinimen", hän sanoi.

Jacobs huomautti, kuinka paljon tehokkaampi kvanttilaskenta voisi olla. "Jos tarkastellaan voimaa, joka kuluu maailman parhaimpien super vihreiden supertietokoneiden käyttämisessä, jos halusit tehdä noin 65 kvbitin simulaation, joka vaatisi noin yhden ydinvoimalan", hän sanoi, "ja sitten jos halusi 66: n tekeminen vaatisi kahta ydinvoimalaa."

Brownell kertoi, että yli 1000 kvbitillä nykyinen D-Wave-kone pystyy teoreettisesti käsittelemään malleja, joiden koko on jopa 2–1 000, mikä vastaa 10–300 ^{: ta}. (Vertailun vuoksi, hän sanoi, tutkijoiden arvioiden mukaan maailmankaikkeudessa on vain noin 10 - 80 atomia.) Joten hän sanoo, että tietokoneen suorituskyvyn rajat eivät johdu kvanttihehkutuksen rajoituksista, vaan pikemminkin I / O-toiminnot, tekniikkakysymys, jota käsitellään jokaisessa uudessa sukupolvessa. Joissakin vertailualgoritmeissa yrityksen 1152-bittisen koneen tulisi olla 600 kertaa tehokkaampi kuin paras, mitä klassiset tietokoneet voivat tehdä, hän väittää.

D-Wave-arkkitehtuurilla, joka käyttää qubits-matriisia kytkimillä, joka muistuttaa tietyllä tavalla hermoverkkoa, on ollut alun perin sovellettu syväoppimiseen hermoverkkoihin koneoppimisessa.

Mutta hän puhui myös muista sovelluksista, kuten vastaavan Monte Carlo -simulaatioiden suorittamisesta, jota hän käytti Goldman Sachsissa (missä hän oli CIO) arvon ja riskin laskelmissa. Hän muisti tämän vievän miljoonan ytimen ja joutuneen juosta yön yli. Teoreettisesti kvantitietokone voisi tehdä samanlaisia ​​asioita paljon vähemmän energiaa. Hän sanoi, että D-Wave-kone käyttää hyvin vähän, mutta sen on toimittava suuressa jääkaapissa, joka ylläpitää erittäin matalia lämpötiloja (noin 8 milikelviniä), mutta että kone itse vaatii vain noin 15-20 kW käyntiin, mikä on melko pieni datakeskukselle.

Ritter mainitsi samanlaisen idean porttipohjaisesta mallista ja keskusteli kvantimetropolin näytteenotosta, joka hänen mukaansa vastaa kvantti Monte Carloa, mutta erilaisilla tilastoilla takertumisominaisuuksien takia.

Ritterin joukkue työskentelee kvantianalogisen simulaation parissa, jossa se voi laskea ja kartoittaa molekyylin suunnittelun kvbittiyhteydeksi ja saada se ratkaisemaan molekyylin ihanteelliset moodit ja kaikki käyttäytymistavat, mikä hänen mukaansa on erittäin vaikea, kun saat noin 50 elektronia..

Jacobs keskusteli kvant kryptografiasta, joka sisältää avaimen, joka luodaan tavalla, joka voi todistaa, ettei kukaan kuunnellut lähetystä. Ritter sanoi, että IBM: n Charlie Bennett suunnitteli tekniikkaa linkin qubitin "teleportoimiseksi" toiseen koneen qubitiin, mutta sanoi, että hänen mielestään sellaiset tekniikat ovat yli muutaman vuoden päässä.

Jacobs huomautti kvanttiportin laskennan ja kvanttihehkutuksen välisistä eroista, etenkin virheiden korjaamisen aloilla, ja huomautti, että on olemassa toinen menetelmä, jota kutsutaan myös topologiseksi kvanttilaskentaan, jota Microsoft työskentelee.

Yksi mielenkiintoinen haaste on sovellusten kirjoittaminen sellaisille koneille, joita Ritter kuvaili lähettävän ääniä tietyllä taajuudella, jotka saavat erilaiset kviteetit resonoimaan ja toimimaan vuorovaikutuksessa keskenään ajoissa, minkä vuoksi laskenta tapahtuu "melkein kuin nuotti". Hän huomautti, että korkeamman tason kieliä on, mutta paljon työtä vaatii silti teoreetikko. Jacobs totesi, että avoimen lähdekoodin kvanttikieliä, kuten QASM ja Quipper, on eri tasoilla, molemmat keskittyivät suurelta osin kvanttiporttimalliin. Brownell totesi, että kvanttihehkuttamisessa ei ole ollut niin paljon toimintaa, koska se oli kiistanalaisempaa viime aikoihin saakka, ja sanoi, että D-Wave on joutunut tekemään suuren osan tästä työstä itse, ja työskentelee siirtämällä kieliä korkeammalle tasolle. Viiden vuoden kuluessa hän toivoo, että sen käyttö on yhtä helppoa kuin GPU: n tai muun tyyppisen klassisen resurssin.