Calculul cuantic este mai aproape de realitate?

Calculul cuantic - ideea de a lucra cu computere care prezintă proprietăți cuantice, cum ar fi posibilitatea de a deține mai multe stări în același timp - a fost discutată de mult timp, dar acum pare să se apropie de realitate, cu unele progrese importante. La conferința Techonomy de săptămâna trecută, am avut ocazia să găzduiesc un grup pe această temă cu lideri ai unor companii care împing plicul pe acest subiect, inclusiv D-Wave și IBM.

Bryan Jacobs, consultant la Berberian & Company, care oferă consultanță cu privire la calculul cuantic, a explicat că în toate echipamentele electronice pe care le folosim astăzi, informațiile sunt stocate prin încărcarea unui electron care este pornit sau oprit; cu alte cuvinte, un pic. Dar dacă codificați informația într-o stare cuantică, cum ar fi un singur electron sau un foton, puteți face o hartă într-un zero și unul, la fel ca un bit clasic obișnuit, dar și o superpoziție, unde pot fi zero și unul simultan. El a explicat că noțiunea interesantă este că dacă aveți un computer cuantic care are un număr mare de acești biți cuantici - adesea numiți qubits - îl puteți porni într-o superpoziție a tuturor intrărilor posibile în același timp, iar apoi, dacă puteți prelucrați informațiile într-un mod cuantic și coerent, într-un anumit sens puteți calcula aceeași funcție pe toate intrările posibile simultan. Este cunoscut sub numele de paralelism cuantic. El a menționat că există câteva abordări diferite pe care oamenii încearcă astăzi - una este bazată pe poartă, care seamănă mai mult cu calculatoarele digitale tradiționale, iar cealaltă este asemănătoare cu un proces analogic, cunoscut sub denumirea de recuperare cuantică.

Vern Brownell, CEO al D-Wave Systems, care a livrat de fapt câteva mașini care folosesc recuperări cuantice, a declarat că compania sa a ales să folosească această abordare mai întâi "pentru că ne-am gândit că asta ne va oferi capabilitatea mai repede decât orice alt tip de quantum implementarea computerelor. " El a spus că D-Wave a analizat și alte modele de calcul cuantic, dar această abordare a fost cea mai pragmatică.

El a explicat că are în mod efectiv un annealer cuantic cu o mie de biți, care sunt capabili să exploreze un spațiu de răspuns cu două posibilități diferite de la număr la număr. În esență, acest lucru funcționează pe probleme complexe de optimizare și pare să găsească cea mai mică energie sau cel mai bun răspuns pentru acea problemă de optimizare. Brownell a menționat că Google a actualizat acum o mașină achiziționată anterior pentru laboratorul său de informații artificiale cuantice, examinând modul în care aceasta poate ajuta la învățarea mașinilor. Un alt client este Lockheed, care se uită la o problemă numită verificare și validare software.

Brownell a recunoscut că niciunul dintre aceste exemple nu a intrat cu adevărat în producție, dar a spus că au rulat aplicații reale care rezolvă probleme reale la scară. Cu alte cuvinte, nu au ajuns încă în punctul în care aparatul D-Wave depășește supercomputerele clasice, dar a spus că „suntem foarte aproape de asta”. În următoarele câteva luni, compania va arăta că "un computer cuantic poate întrece cel mai bun din ceea ce poate face calcularea clasică. Acum suntem în acel punct de balamală".

Mark Ritter, membru distins al personalului de cercetare și senior manager al departamentului de științe fizice de la IBM TJ Watson Research Center, a explicat că echipa sa realizează o serie de proiecte cuantice diferite, dar și-a concentrat activitatea pe calculul cuantic bazat pe poartă și corectarea erorilor..

Unul dintre teoreticienii din echipa sa, Sergey Bravyi, a inventat „un cod de paritate topologic”. El a explicat că folosim coduri de corecție a erorilor și în computerele tradiționale, dar că informațiile cuantice sunt foarte fragile, așa că pentru a face un sistem bazat pe poartă, aveți nevoie de un cod care să protejeze informațiile cuantice fragile. Echipa sa a creat un sistem pe 4 qubite, cu qubit-uri numite "transmisii" care pot reține o parte din informațiile cuantice pentru o perioadă mai lungă și cu codul de corecție a erorilor poate crea computere cuantice bazate pe poartă. El a spus că acesta este ca o grilă pătrată, în care vârfurile sunt la vârfurile hârtiei grafice; un algoritm suprapune apoi acest cod peste cabluri. Obiectivul IBM este de a putea adăuga din ce în ce mai mulți qubits la algoritmul respectiv. El a spus că în curând ar putea să poată păstra starea cuantificată la nesfârșit.

El a menționat modul în care porțile cuantice folosesc încurcarea pe toate criblurile și privește toate stările potențiale, comparând acest lucru cu modelul de interferență pe care îl vedeți când aruncați o mulțime de pietre într-un iaz și obțineți interferențe constructive și distructive. Cel mai bun răspuns va fi interferat în mod constructiv, a spus el, iar acest răspuns va fi singurul răspuns cu care ajungeți, dacă există un singur răspuns la problemă. Într-un computer cuantic bazat pe poartă, a spus el, puteți utiliza interferența în această codificare pentru a obține un răspuns la sfârșitul procesului și că acest lucru ar trebui să fie accelerat exponențial pentru anumiți algoritmi.

În timp ce acest lucru poate fi încă o cale de eliminare, Ritter a spus că oamenii se gândesc, de asemenea, să folosească qubits pentru a rula simulări analogice cu coerență ridicată, cum ar fi simularea diferitelor molecule. Jacobs a fost de acord cu privire la simularea cuantică și a vorbit despre simulări chimice ale moleculelor stabile pentru a găsi medicamente.

Am întrebat despre algoritmul lui Shor, care sugerează că, cu un computer cuantic, poți rupe o mare parte din criptografia convențională. Iacob a folosit analogia unei nave de rachetă încercând să trimită astronauți pe Lună. Jacobs a spus că algoritmul care execută problema pe care încercăm să o rezolvăm, cum ar fi algoritmul lui Shor, este similar cu modulul de comandă al navei rachete și că corectarea erorilor - cum ar fi lucrul echipei lui Ritter - este ca etapele a rachetei. Dar, a spus el, tipurile de motoare cu rachetă pe care le avem în acest moment nu sunt suficiente pentru orice navă de rachetă de dimensiuni. El a spus că este o întrebare foarte complicată și că toate cheltuielile generale asociate cu efectuarea calculelor cuantice și corecția erorilor înseamnă că mulți dintre algoritmii care arată astăzi cu adevărat promițători s-ar putea să nu explodeze. Brownell a spus că crede că avem un deceniu sau mai mult înainte ca calculatoarele cuantice să poată rupe criptarea RSA și va trebui să trecem la criptografia post-cuantică.

Brownell a subliniat că modelul de poartă al calculării cuantice este foarte diferit de recoacerea cuantică și a vorbit despre cât de util este atunci când rezolvi anumite probleme de optimizare astăzi. El a mai spus că poate rezolva aproape probleme care nu sunt la îndemâna calculatoarelor clasice. În ceea ce privește unele criterii de referință, Google a descoperit că aparatul D-Wave ar putea rezolva probleme undeva la ordinul cu 30-100.000x mai rapid decât ar putea astăzi un algoritm cu scop general. Deși acesta nu a fost un algoritm util, el a spus că echipa sa se concentrează pe algoritmi de caz de utilizare efectivă, care pot profita de această capacitate, deoarece procesorul său se scalează la performanțe la fiecare 12-18 luni.

Brownell a comparat astăzi calculul cuantic cu Intel în 1974, când a ieșit cu primul microprocesor. El a fost cu Digital Equipment Corp. în acel moment și a spus că la acea vreme „nu eram în mod special îngrijorați de Intel, pentru că aveau aceste microprocesoare ieftine, care nu erau niciodată la fel de puternice precum aceste cutii mari și chestii pe care le aveam. Dar, în decurs de zece ani, știți, afacerile au dispărut complet și Digital a ieșit din afaceri ". El a spus că, deși nu crede că calculul cuantic ar amenina întreaga lume clasică de calcul, el se așteaptă să vadă aceste îmbunătățiri incrementale la procesoare la fiecare 18 luni, până la un punct în care va fi o capacitate care va fi necesară pentru managerii IT iar dezvoltatorii să le folosească.

În special, a spus el, D-Wave a co-dezvoltat algoritmi probabilistici de învățare, unii dintre ei în spațiul de învățare profundă, care pot face o treabă mai bună în recunoașterea lucrurilor și în formare decât se poate face fără calculul cuantic. În cele din urmă, el vede că este o resursă din cloud care va fi folosită foarte mult pentru a complimenta calculatoarele clasice.

Ritter a spus că este greu să compari cu adevărat oricare dintre metodele cuantice cu mașinile clasice care execută calcule cu scop general, deoarece oamenii produc acceleratoare și folosesc GPU și FPGA concepute pentru sarcini specifice. El a spus că dacă ai proiectat un ASIC care era specific pentru rezolvarea problemei tale, calcularea cuantică reală cu accelerație reală ar trebui să bată oricare dintre ele, deoarece fiecare qubit adăugat dublează spațiul de configurare. Cu alte cuvinte, punerea la o mie de cvb-uri ar trebui să crească spațiul cu puterea de 2 000 000, pe care el a remarcat este mai mult decât numărul de atomi din univers. Și, a spus el, cu un computer bazat pe poartă, problema este că porțile funcționează mai lent decât telefonul mobil, deci ai mai multe operații care se întâmplă simultan, dar fiecare operație este mai lentă decât pe un computer clasic. "De aceea, trebuie să faceți o mașină mai mare înainte de a vedea acest crossover", a spus el.

Jacobs a subliniat cât de mult ar putea fi calcularea cuantică mai eficientă. "Dacă te uiți la energia necesară folosind cele mai bune super-super-super-computere din lume, dacă ai vrea să faci aproximativ o simulare de 65 de cb, asta ar necesita aproximativ o centrală nucleară", a spus el, "și atunci dacă ai dori pentru a face 66 ar fi nevoie de două centrale nucleare ".

Brownell a spus că, cu mai mult de 1.000 de cb, mașina actuală D-Wave ar putea teoretic să gestioneze modele de până la 2 până la 1000 de ^mii, echivalent cu 10 până la 300 m. (Pentru comparație, a spus el, oamenii de știință estimează că există doar aproximativ 10 până la 80 ^de atomi în univers.) Deci el spune că limitele de performanță pe computer nu se datorează limitărilor în recoacerea cuantică, ci mai degrabă limitării în I / Funcții O, o problemă de inginerie care este abordată în fiecare nouă generație. Pe unii dintre algoritmii de referință, mașina 1152-qubit a companiei ar trebui să fie de 600 de ori mai puternică decât cea mai bună din ceea ce pot face calculatoarele clasice, afirmă el.

Arhitectura D-Wave, care folosește o matrice de qubits cu cuplaje care, în unele moduri, seamănă cu o rețea neuronală, a avut o aplicație inițială pentru învățarea profundă a rețelelor neuronale în învățarea automată.

Dar a vorbit și despre alte aplicații, cum ar fi rularea echivalentului simulărilor din Monte Carlo, pe care îl făcea la Goldman Sachs (unde era CIO) pentru calculele valorii-risc. Și-a amintit că aceasta a avut aproximativ un milion de nuclee și a trebuit să alerge peste noapte. Teoretic, un computer cuantic ar putea face lucruri similare cu mult mai puțină energie. El a spus că mașina D-Wave folosește foarte puțin, dar trebuie să funcționeze într-un frigider mare, care menține temperaturi foarte scăzute (aproximativ 8 milkmilvin), dar că mașina în sine durează doar aproximativ 15-20 kW pentru a rula, ceea ce este destul de mic pentru un centru de date.

Ritter a menționat o idee similară pentru modelul bazat pe poartă și a discutat despre eșantionarea cuantică a metropolei, despre care a spus că este echivalentul cuantului Monte Carlo, dar cu statistici diferite din cauza proprietăților de împletire.

Echipa lui Ritter lucrează la simularea cuantică analogică, unde poate calcula și mapa un design molecular într-o conexiune de qubits și poate rezolva modurile ideale și toate comportamentele unei molecule, despre care a spus că este foarte greu odată ce obțineți în jur de 50 de electroni.

Jacobs a discutat despre criptografia cuantică, care implică o cheie care este generată într-un mod care poate dovedi că nimeni nu asculta transmisia. Ritter a declarat că Charlie Bennett de la IBM a teoretizat o tehnică pentru „teleportarea” qubit-ului de pe legătura către un alt qubit din mașină, dar a spus că crede că astfel de tehnici sunt mai mult de câțiva ani.

Jacobs a subliniat diferențele dintre calcularea cuantică a porților și recuperarea cuantică, în special în domeniile corecției erorilor și a remarcat că există o altă metodă, așa cum se numește calculul cuantic topologic la care Microsoft lucrează.

O provocare interesantă este scrierea aplicațiilor pentru astfel de mașini, pe care Ritter le-a descris ca trimiterea de tonuri într-o frecvență specifică, care determină rezervele și interacțiunile diferite în timp, ceea ce face ca calculul să apară „aproape ca o partitură muzicală”. El a menționat că există limbi de nivel superior, dar că multă muncă necesită încă un teoretician. Jacobs a remarcat că există diferite niveluri de limbi cuantice cu sursă deschisă, cum ar fi QASM și Quipper, ambele concentrându-se în mare parte pe modelul de poartă cuantică. Brownell a menționat că nu a existat atâta activitate în ceea ce privește recuperarea cuantică, deoarece a fost mai controversată până de curând și a spus că D-Wave a trebuit să facă o mulțime de lucrări în sine și că lucrează la mutarea limbajelor la niveluri superioare. Peste cinci ani speră că va fi la fel de ușor de utilizat ca un GPU sau un alt tip de resurse clasice.