Чи квантові обчислення ближче до реальності?

Квантові обчислення - ідея роботи з комп’ютерами, які демонструють квантові властивості, наприклад, можливість одночасного утримування кількох станів - обговорювались давно, але зараз, здається, наближаються до реальності з деякими великими успіхами. На минулої тижневої конференції з питань технологій я мав можливість провести групу на цю тему з керівниками деяких компаній, які штовхають конверт на цю тему, включаючи D-Wave та IBM.

Брайан Джейкобс, консультант Berberian & Company, який пропонує поради щодо квантових обчислень, пояснив, що у всій електроніці, яку ми сьогодні використовуємо, інформація зберігається через заряд електрона, який або вмикається, і вимикається; Іншими словами, трохи. Але якщо ви кодуєте інформацію в квантовому стані, як одиничний електрон або фотон, ви можете перенести це на нуль і одиницю, як звичайний класичний біт, але і суперпозицію, де вона може бути нуль і один одночасно . Він пояснив, що цікаве поняття полягає в тому, що якщо у вас є квантовий комп'ютер, який має велику кількість цих квантових бітів - часто називаються кубітами - ви можете запустити його одночасно з суперпозиції всіх можливих входів, а потім, якщо зможете обробляти інформацію квантово-когерентним способом, у певному сенсі ви можете обчислити одну і ту ж функцію на всіх можливих входах одночасно. Він відомий як квантовий паралелізм. Він зазначив, що існує кілька різних підходів, які люди намагаються сьогодні - один заснований на воротах, який більше схожий на традиційні цифрові комп'ютери, а другий є подібним до аналогового процесу, відомого як квантове відпал.

Верн Браунелл, генеральний директор D-Wave Systems, який фактично поставив кілька машин, які використовують квантовий відпал, сказав, що його компанія вирішила скористатися таким підходом спочатку ", оскільки ми думали, що це дасть нам можливість швидше, ніж будь-який інший тип кванту виконання обчислень. " За його словами, D-Wave також розглядав інші моделі квантових обчислень, але цей підхід був найбільш прагматичним.

Він пояснив, що ефективно він має квантовий розпалювач з тисячею кубітів, який здатний досліджувати простір відповідей з різними можливостями від двох до числа кубітів. По суті, це працює над складними проблемами оптимізації, і шукає найменшу енергію або найкращу відповідь на цю проблему оптимізації. Броунлл зазначив, що Google зараз модернізував раніше придбану машину для своєї квантової лабораторії штучного інтелекту, вивчаючи, як це може допомогти в машинному навчанні. Інший клієнт - компанія Lockheed, яка розглядає проблему під назвою перевірки та перевірки програмного забезпечення.

Браунелл визнав, що жоден із цих прикладів ще не почався у виробництві, але сказав, що вони запустили реальні програми, які вирішують реальні проблеми в масштабі. Іншими словами, вони ще не досягли того, що машина D-Wave перевершує класичні суперкомп'ютери, але він сказав: "Ми дуже близькі до цього". У наступні кілька місяців компанія покаже, що "квантовий комп'ютер може перевершити найкраще, що можуть зробити класичні обчислення. Ми зараз у цій точці шарніру".

Марк Ріттер, відомий науковий співробітник та старший менеджер відділу фізичних наук у дослідницькому центрі IBM TJ Watson, пояснив, що його команда робить ряд різних квантових проектів, але зосередила свою роботу на квантових обчисленнях та виправлення помилок на базі воріт .

Один із теоретиків своєї команди, Сергій Бравий, винайшов "топологічний кодекс паритету". Він пояснив, що ми також використовуємо коди виправлення помилок і в традиційних комп'ютерах, але ця квантова інформація є дуже крихкою, тому для створення системи на основі воріт потрібен код для захисту цієї неміцної квантової інформації. Його команда створила 4-кубітну систему з кубітами під назвою "трансмони", які можуть зберігати частину квантової інформації протягом більш тривалого періоду, а за допомогою коду виправлення помилок можуть створювати квантові обчислення на основі воріт. Він сказав, що це як квадратна решітка, де кубіти знаходяться у вершинах графічного паперу; алгоритм потім накладає цей код на кубіти. Мета IBM - мати можливість додавати все більше і більше кубітів до цього алгоритму. Він сказав, що незабаром, можливо, вдасться зберегти квантовий стан нескінченно.

Він зазначив, як квантові ворота використовують заплутаність у всіх кубітах та розглядають усі потенційні стани, порівнюючи це з інтерференційною схемою, яку ви бачите, коли ви скидаєте багато каміння у ставок, і отримуєте конструктивні та руйнівні втручання. Найкраща відповідь буде конструктивно втручатися, сказав він, і ця відповідь буде єдиною відповіддю, яку ви закінчите, якщо є одна відповідь на проблему. На квантовому комп'ютері на основі воріт, за його словами, ви можете використовувати перешкоди в цьому кодуванні, щоб отримати відповідь в кінці процесу, і що це має бути експоненціально витраченим на певні алгоритми.

Незважаючи на те, що це все ще може бути дорогою, Ріттер сказав, що люди також думають про використання кубітів для запуску аналогових моделювань з високою когерентністю, таких як моделювання різних молекул. Джейкобс домовився про квантове моделювання та розповів про хімічне моделювання стійких молекул для пошуку ліків.

Я запитав про алгоритм Шора, який говорить про те, що за допомогою квантового комп'ютера ви можете зламати велику частину звичайної криптографії. Якобс використав аналогію ракетного корабля, намагаючись відправити космонавтів на Місяць. Джейкобс сказав, що алгоритм, який виконує проблему, яку ми намагаємося вирішити, наприклад алгоритм Шор, аналогічний командному модулю ракетного корабля, і що виправлення помилок - наприклад, над тим, над чим працює команда Ріттера - схоже на етапи ракети. Але, за його словами, типи паливних чи ракетних двигунів, які ми маємо зараз, недостатньо для будь-якого розміру ракетного судна. Він сказав, що це дуже складне питання, і що всі накладні витрати, пов'язані з виконанням квантових обчислень та виправленням помилок, означають, що багато алгоритмів, які сьогодні виглядають справді перспективними, можуть не зникати. Броунлл сказав, що думає, що ми маємо десять і більше років, перш ніж квантові комп'ютери можуть порушити шифрування RSA, і нам доведеться перейти до постквантової криптографії.

Броунлл наголосив, що затворна модель квантових обчислень сильно відрізняється від квантового відпалу, і розповів про те, наскільки вона корисна при вирішенні певних завдань оптимізації сьогодні. Він також заявив, що це може майже вирішити проблеми, які перебувають поза межами класичних комп'ютерів. За деякими орієнтирами, зазначив він, Google виявив, що машина D-Wave може вирішувати проблеми десь на порядок на 30-100 000x швидше, ніж сьогодні може зробити алгоритм загального призначення. Хоча це не був корисним алгоритмом, він сказав, що його команда зосереджується на алгоритмах фактичного використання, які можуть скористатися цією можливістю, оскільки його процесор масштабує продуктивність кожні 12-18 місяців.

Браунлл порівняв квантові обчислення сьогодні з Intel в 1974 році, коли він вийшов з першим мікропроцесором. На той момент він був у Digital Equipment Corp. і сказав, що в той час "ми не особливо хвилювалися щодо Intel, оскільки у них були ці дешеві маленькі мікропроцесори, які були ніде не такі потужні, як ці великі коробки та інше, що у нас було. Але за десять років, знаєте, бізнес повністю пропав, і Digital припинила свою діяльність ". Він сказав, що, хоча він не думав, що квантові обчислення загрожуватимуть усьому класичному обчислювальному світові, він розраховує бачити ці додаткові вдосконалення процесорів кожні 18 місяців до такої точки, коли це буде спроможність, яка буде необхідна ІТ-менеджерам. і розробникам, які потрібно використовувати.

Зокрема, за його словами, D-Wave створив спільно розроблені ймовірнісні алгоритми навчання, деякі з яких знаходяться в глибинному просторі навчання, що може зробити кращу роботу з розпізнавання речей і в навчанні, ніж це можна зробити без квантових обчислень. Врешті-решт, він бачить це як ресурс у хмарі, який буде дуже використаний у компліменті з класичними комп’ютерами.

Ріттер сказав, що важко по-справжньому порівняти будь-який з квантових методів із класичними машинами, які виконують обчислення загального призначення, оскільки люди роблять прискорювачі та використовують графічні процесори та FPGA, призначені для конкретних завдань. Він сказав, що якщо ви насправді створили ASIC, який був специфічним для вирішення вашої проблеми, справжні квантові обчислення з реальним прискоренням повинні перемогти будь-яку з них, тому що кожен кубіт, який ви додаєте, подвоює цей простір конфігурації. Іншими словами, об'єднання тисячі кубітів разом повинно збільшити простір на 2х1000- ^ту потужність, яка, за його словами, перевищує кількість атомів у Всесвіті. І, за його словами, з комп’ютером на основі воріт проблема полягає в тому, що ворота працюють повільніше, ніж ваш мобільний телефон, тому у вас більше операцій відбувається відразу, але кожна операція відбувається повільніше, ніж на класичному комп'ютері. "Тому вам доведеться зробити більшу машину, перш ніж побачити цей кросовер", - сказав він.

Джейкобс зазначив, наскільки ефективнішими можуть бути квантові обчислення. "Якщо ви подивитеся на потужність, необхідну для використання найкращих суперзелених суперкомп'ютерів у світі, якщо ви хочете зробити 65-кубітне моделювання, для цього знадобиться приблизно одна атомна електростанція", - сказав він, - і тоді, якщо ви хочете щоб зробити це 66, знадобиться дві атомні електростанції ".

Браунелл сказав, що з більш ніж 1000 кубітами, сучасна машина D-Wave теоретично може обробляти моделі від 2 до 1000- ^ї, що еквівалентно 10-ти до 300- ^й . (Для порівняння, за його словами, вчені вважають, що у Всесвіті є лише від 10 до 80 ^-ти атомів.) Тож він каже, що обмеження в продуктивності на комп'ютері обумовлені не обмеженнями в квантовому відпалі, а скоріше обмеженням I / O функції, інженерне питання, яке вирішується у кожному новому поколінні. За деякими алгоритмами орієнтирів 1152-кубітна машина компанії повинна бути в 600 разів потужнішою, ніж найкраща з тих, що можуть зробити класичні комп’ютери, - стверджує він.

Архітектура D-Wave, яка використовує матрицю кубітів з муфтами, яка певним чином нагадує нейронну мережу, мала початкове застосування до нейронних мереж глибокого вивчення в машинному навчанні.

Але він також розповів про інші додатки, такі як запуск еквівалента симуляцій Монте-Карло, який він робив у Goldman Sachs (де він був CIO) для розрахунків вартості та ризику. Він пам’ятав, що це взяло близько мільйона ядер і довелося бігти протягом ночі. Теоретично квантовий комп'ютер міг робити подібні речі із значно меншою енергією. Він сказав, що машина D-Wave використовує дуже мало, але її потрібно працювати у великому холодильнику, який підтримує дуже низькі температури (близько 8 миликельвін), але що для роботи машини потрібно лише близько 15-20 кВт, що зовсім мало для центру даних.

Ріттер згадував аналогічну ідею для моделі, заснованої на воротах, і обговорював квантовий відбір мегаполісів, який, за його словами, є еквівалентом квантового Монте-Карло, але з різною статистикою через властивості заплутування.

Команда Ріттера працює над квантовим аналоговим моделюванням, де вона може обчислити та скласти молекулярну конструкцію в з'єднання кубітів і змусити її вирішити ідеальні режими та всю поведінку молекули, що, за його словами, дуже важко, коли ти набереш близько 50 електронів .

Джейкобс обговорив квантову криптографію, яка включає ключ, сформований таким чином, що може довести, що ніхто не слухав передачі. Ріттер заявив, що Чарлі Беннетт IBM теоретизував техніку "телепортування" кубіта по ланцюгу в інший кубіт в машині, але сказав, що він вважає, що таких методів існує більше ніж кілька років.

Джейкобс вказав на відмінності між обчисленнями квантових воріт та квантовим відпалом, особливо в області виправлення помилок, і зазначив, що існує інший метод, який також називають топологічними квантовими обчисленнями, над якими працює Microsoft.

Одним із цікавих завдань є написання додатків для таких машин, які Ріттер описав як надсилання тонів з певною частотою, які змушують різні кубіти резонувати і взаємодіяти між собою в часі, через що обчислення відбуваються "майже як музична партитура". Він зазначив, що існують мови вищого рівня, але для роботи потрібно ще теоретик. Джейкобс відзначив, що існують різні рівні квантових мов з відкритим кодом, такі як QASM та Quipper, обидві цілком зосереджені на моделі квантових воріт. Броунлл зауважив, що не було такої активності щодо квантового відпалу, тому що донедавна воно було більш суперечливим, і сказав, що D-Wave повинен був зробити багато цієї роботи сам, і працює над переміщенням мов на більш високі рівні. Протягом п'яти років він сподівається, що це буде так само просто, як GPU або інший класичний ресурс.