Квантовите изчисления по-близо ли са до реалността?

Квантовите изчисления - идеята за работа с компютри, които показват квантови свойства, като например да могат да държат няколко състояния едновременно - се обсъжда отдавна, но сега изглежда се доближава до реалността с някои големи постижения. На миналата седмица на конференцията по техономия имах възможността да домакин на панел по темата с лидери на някои от компаниите, които бутат плика по тази тема, включително D-Wave и IBM.

Брайън Джейкъбс, консултант в Berberian & Company, който предлага съвети за квантовите изчисления, обясни, че във всички електроники, които използваме днес, информацията се съхранява чрез заряда на електрон, който е или включен или изключен; с други думи, малко. Но ако кодирате информацията в квантово състояние, като единичен електрон или фотон, можете да я преобразувате в нула и единица, точно като обикновен класически бит, но и суперпозиция, където тя може да бъде нула и едно едновременно, Той обясни, че интересното понятие е, че ако имате квантов компютър, който има голям брой от тези квантови битове - често наричани кубити - можете да го стартирате едновременно с суперпозиция на всички възможни входове и след това, ако можете обработвайте информация по квантово съгласуван начин, в някакъв смисъл можете да изчислите една и съща функция на всички възможни входове едновременно. Известен е като квантов паралелизъм. Той отбеляза, че има няколко различни подхода, които хората се опитват днес - единият е базиран на порта, който е по-скоро като традиционните цифрови компютри, а другият е подобен на аналогов процес, известен като квантово отгряване.

Върн Браунъл, главен изпълнителен директор на D-Wave Systems, който всъщност достави няколко машини, които използват квантово отгряване, заяви, че неговата компания е избрала първо да използва този подход, „защото смятахме, че това ще ни даде възможност по-бързо от всеки друг тип квантове компютърно изпълнение. " Той каза, че D-Wave разглежда и други модели на квантовите изчисления, но този подход е най-прагматичен.

Той обясни, че ефективно той разполага с квантов отгорач с хиляда кубита, които са в състояние да изследват пространството за отговори с различни възможности от две до число на кубити. По същество това работи върху сложни проблеми с оптимизацията и търси да намери най-ниската енергия или най-добрия отговор за този проблем с оптимизацията. Браунъл отбеляза, че Google вече е модернизирал по-рано закупена машина за своята квантова лаборатория за изкуствен интелект, проучвайки как това може да помогне в машинното обучение. Друг клиент е Lockheed, който разглежда проблем, наречен проверка и валидиране на софтуера.

Браунъл призна, че нито един от тези примери все още не е стартирал в производството, но каза, че са пуснали реални приложения, които решават реални проблеми в мащаб. С други думи, те все още не са стигнали до точката, в която D-Wave машината превъзхожда класическите суперкомпютри, но той каза, че „ние сме много близо до това“. В следващите няколко месеца компанията ще покаже, че "квантовият компютър може да превъзхожда най-доброто от това, което могат да правят класическите изчисления. В момента сме в тази шарнирна точка".

Марк Ритер, изтъкнат член на изследователския екип и старши мениджър в отдела по физически науки в изследователския център IBM TJ Watson, обясни, че неговият екип прави редица различни квантови проекти, но е съсредоточил работата си върху квантовите изчисления на базата на портата и коригирането на грешки,

Един от теоретиците в неговия екип, Сергей Брави, измисли „топологичен кодекс за паритет“. Той обясни, че използваме кодове за коригиране на грешки и в традиционните компютри, но тази квантова информация е много крехка, така че за да направите система, базирана на портата, се нуждаете от код, който да защити тази крехка квантова информация. Екипът му създаде 4-кубитна система, с кубити, наречени "транмони", които могат да запазят част от квантовата информация за по-дълъг период и с кода за коригиране на грешки могат да създадат квантови изчисления на базата на порта. Той каза, че това е като квадратна решетка, където кубитите са в върховете на графична хартия; алгоритъм след това наслагва този код над кубитите. Целта на IBM е да може да добавя все повече и повече кубити към този алгоритъм. Той каза, че скоро може да бъде в състояние да запази квантовото състояние за неопределено време.

Той отбеляза как квантовите порти използват заплитане във всички кубити и разглеждат всички потенциални състояния, сравнявайки това с интерференционния модел, който виждате, когато хвърляте много камъни в езерце, и получавате конструктивна и разрушителна намеса. Най-добрият отговор ще бъде намесен конструктивно, каза той и този отговор ще бъде единственият отговор, който в крайна сметка ще получите, ако има еднозначен отговор на проблема. В квантовия компютър, базиран на порта, той каза, че можете да използвате намесата в това кодиране, за да получите отговор в края на процеса и че това трябва да бъде изложено експоненциално за определени алгоритми.

Въпреки че това все още може да се окаже изключен, Ритер каза, че хората също мислят да използват кубитите за изпълнение на аналогови симулации с висока кохерентност, като например симулиране на различни молекули. Джейкъбс се съгласи за квантовата симулация и говори за химически симулации на стабилни молекули за намиране на лекарства.

Попитах за алгоритъма на Shor, който предполага, че с квантов компютър можете да разбиете голяма част от конвенционалната криптография. Джейкъбс използва аналогията на ракетен кораб, опитвайки се да изпрати астронавти на Луната. Джейкъбс каза, че алгоритъмът, който изпълнява проблема, който се опитваме да разрешим, като алгоритъмът на Шор, е подобен на командния модул на ракетния кораб и че корекцията на грешки - като това, върху което работи екипът на Ритер - е като етапите на ракетата. Но, каза той, типовете двигатели с горивни или ракетни двигатели, които имаме в момента, не са достатъчни за всеки ракетен кораб с размери. Той каза, че това е много труден въпрос и че всички разходи, свързани с извършването на квантовите изчисления и корекцията на грешки, означават, че много от алгоритмите, които изглеждат наистина многообещаващи днес, може да не изчезнат. Браунъл каза, че смята, че имаме десетилетие или повече, преди квантовите компютри да прекъснат RSA криптирането и ще трябва да преминем към пост-квантова криптография.

Браунъл подчерта, че моделът на квантовите изчисления е много различен от квантовото отгряване и говори за това колко е полезен при решаването на определени проблеми с оптимизацията днес. Той каза също, че може почти да реши проблеми, които са извън обсега на класическите компютри. По някои показатели, отбеляза той, Google откри, че машината D-Wave може да реши проблеми някъде от порядъка на 30-100 000x по-бързо, отколкото би могъл алгоритъмът с общо предназначение днес. Въпреки че това не беше полезен алгоритъм, той каза, че екипът му се съсредоточава върху алгоритмите за действителна употреба, които могат да се възползват от тази способност, тъй като процесорът й мащабира ефективността на всеки 12-18 месеца.

Браунъл сравнява квантовите изчисления днес с Intel през 1974 г., когато излезе с първия микропроцесор. В този момент той беше с Digital Equipment Corp. и каза, че по онова време „не бяхме особено притеснени от Intel, тъй като имаха тези евтини малки микропроцесори, които никъде не бяха толкова мощни, колкото тези големи кутии и неща, които имахме. Но в рамките на десет години, знаете ли, бизнесът напълно изчезна и Digital отпадна. " Той каза, че макар да не е мислил, че квантовите изчисления ще застрашат целия класически изчислителен свят, той очаква да наблюдава тези постепенни подобрения на процесорите на всеки 18 месеца до степен, в която това ще бъде способност, която ще е необходима за ИТ мениджърите и разработчиците, които да използват.

По-конкретно, каза той, D-Wave има съвместно разработени вероятностни алгоритми за учене, някои от тях в дълбокото пространство на обучение, които могат да свършат по-добра работа в разпознаването на нещата и в обучението, отколкото може да се направи без квантови изчисления. В крайна сметка той вижда това като ресурс в облака, който ще бъде използван много в комплимент с класическите компютри.

Ритер каза, че е трудно наистина да се сравни някой от квантовите методи с класическите машини, които изпълняват изчисления с общо предназначение, защото хората правят ускорители и използват графични процесори и FPGA, предназначени за конкретни задачи. Той каза, че ако всъщност сте проектирали ASIC, който е специфичен за решаването на вашия проблем, реалните квантови изчисления с реално ускорение трябва да победят всеки от тях, защото всеки кубит, който добавите, удвоява това пространство за конфигурация. С други думи, комбинирането на хиляда кубита трябва да увеличи пространството с 2x1000 ^-та мощност, което той отбеляза е повече от броя на атомите във Вселената. И, каза той, при компютъра, базиран на портата, проблемът е, че портите работят по-бавно от вашия мобилен телефон, така че имате повече операции едновременно, но всяка операция е по-бавна, отколкото на класическия компютър. "Ето защо трябва да направите по-голяма машина, преди да видите този кросоувър", каза той.

Джейкъбс посочи колко по-ефективни могат да бъдат квантовите изчисления. "Ако погледнете мощността, от която се нуждаете, използвайки най-добрите супер зелени супер компютри в света, ако искате да направите около 65-кубитна симулация, това ще изисква около една атомна електроцентрала", каза той, "и тогава, ако искате за да се направи 66, ще са необходими две атомни електроцентрали."

Браунъл каза, че с повече от 1000 кубита, настоящата машина D-Wave теоретично може да се справи с модели от 2 до 1000 ^-та, което е еквивалентно на 10 до 300 ^-то. (За сравнение, каза той, учените оценяват, че във Вселената има само около 10 до 80 ^-те атома.) Затова той казва, че ограниченията в производителността на компютъра не се дължат на ограниченията в квантовото отгряване, а по-скоро на ограничението в I / O функции, инженерна проблематика, която се адресира при всяко ново поколение. Според някои от алгоритмите на бенчмарк, 1152-кубитната машина на компанията трябва да бъде 600 пъти по-мощна от най-доброто от това, което могат да правят класическите компютри, твърди той.

Архитектурата на D-Wave, която използва матрица от кубити с куплунги, които по някакъв начин приличат на невронна мрежа, е имала първоначално приложение към невронните мрежи за обучение при машинно обучение.

Но той говори и за други приложения, като например да изпълнява еквивалента на симулациите в Монте Карло, които той правеше в Goldman Sachs (където беше CIO) за изчисления на стойността на риска. Спомни си, че това отне около милион ядра и трябваше да тича за една нощ. Теоретично квантов компютър може да прави подобни неща с много по-малко енергия. Той каза, че машината D-Wave използва много малко, но трябва да работи в голям хладилник, който поддържа много ниски температури (около 8 milikelvin), но че самата машина отнема само около 15-20 кВт, което е доста малко за център за данни.

Ритер спомена подобна идея за модела, базиран на портата, и обсъди квантово избиране на метрополис, което каза, че е еквивалент на квантовия Монте Карло, но с различна статистика поради свойствата на заплитане.

Екипът на Ритер работи върху квантовата аналогова симулация, при която може да изчисли и картографира молекулярния дизайн във връзка на кубитите и да го накара да реши идеалните режими и всички поведения на молекула, което каза, че е много трудно, след като получите около 50 електрона, Джейкъбс обсъди квантовата криптография, която включва ключ, генериран по начин, който може да докаже, че никой не е слушал при предаването. Ритер каза, че Чарли Бенет на IBM теоретизира техника за "телепортиране" на кубита на връзката в друг кубит в машината, но каза, че смята, че такива техники са повече от няколко години.

Джейкъбс посочи разликите между изчисленията на квантовите порта и квантовото отгряване, особено в областите на коригиране на грешки, и отбеляза, че има друг метод, наречен топологични квантови изчисления, над който Microsoft работи.

Едно интересно предизвикателство е писането на приложения за такива машини, които Ритер определи като изпращане на тонове с определена честота, които причиняват различните кубити да резонират и да си взаимодействат един с друг във времето, което кара изчисленията да се случват „почти като музикална партитура“. Той отбеляза, че има езици от по-високо ниво, но за много работа все още е необходим теоретик. Джейкъбс отбеляза, че съществуват различни нива на квантови езици с отворен код като QASM и Quipper, като двата са фокусирани до голяма степен върху модела на квантовите порта. Браунъл отбеляза, че не е имало толкова активност в квантовото отгряване, тъй като доскоро беше по-противоречиво и каза, че D-Wave е трябвало да свърши голяма част от тази работа и работи върху преместването на езиците на по-високи нива. След пет години той се надява, че ще бъде толкова лесен за използване като графичен процесор или друг вид класически ресурс.