Adakah pengkomputeran kuantum lebih dekat dengan realiti?

Pengkomputeran kuantum-ide untuk bekerja dengan komputer yang mempamerkan sifat kuantum, seperti dapat memegang banyak negara pada masa yang sama-telah dibincangkan untuk masa yang lama, tetapi kini nampaknya semakin dekat dengan realiti, dengan beberapa kemajuan yang besar. Pada persidangan Techton minggu lalu, saya berpeluang untuk menjadi tuan rumah panel mengenai subjek ini dengan pemimpin beberapa syarikat yang menolak sampul surat mengenai topik ini, termasuk D-Wave dan IBM.

Bryan Jacobs, seorang perunding di Berberian & Company, yang menawarkan nasihat mengenai pengkomputeran kuantum, menjelaskan bahawa dalam semua elektronik yang kita gunakan hari ini, maklumat disimpan melalui pertanggungjawaban elektron yang sama ada atau tidak; dengan kata lain, sedikit. Tetapi jika anda mengodkan maklumat dalam keadaan kuantum, seperti elektron tunggal atau foton, anda boleh memetakannya menjadi sifar dan satu, sama seperti bit klasik biasa, tetapi juga superposisi, di mana ia boleh sifar dan satu serentak. Dia menjelaskan bahawa tanggapan yang menarik ialah jika anda mempunyai komputer kuantum yang mempunyai sejumlah besar bit kuantum ini-sering dipanggil qubit-anda boleh memulakannya dalam tindihan semua input yang mungkin pada masa yang sama, dan kemudian, jika anda boleh proses maklumat dalam cara koheren kuantum, dalam erti kata lain anda boleh mengira fungsi yang sama pada semua input yang mungkin pada masa yang sama. Ia dikenali sebagai paralelisme kuantum. Beliau berkata terdapat beberapa pendekatan yang berlainan yang cuba dilakukan hari ini - satu adalah berasaskan pintu, yang lebih menyerupai komputer digital tradisional, dan yang lain adalah serupa dengan proses analog, yang dikenali sebagai penyepuh kuantum.

Vern Brownell, Ketua Pegawai Eksekutif Sistem D-Wave, yang sebenarnya telah menghantar beberapa mesin yang menggunakan annealing kuantum, berkata syarikatnya memilih untuk menggunakan pendekatan itu terlebih dahulu "kerana kami menganggap bahawa itu akan memberi kita keupayaan lebih cepat daripada apa-apa jenis kuantum lain pelaksanaan pengkomputeran. " Beliau berkata D-Wave melihat model komputasi kuantum yang lain, tetapi pendekatan ini adalah yang paling pragmatik.

Dia menerangkan dengan jelas bahawa dia mempunyai kuantum kuantum dengan seribu qubit, yang dapat menerokai ruang jawab dua-ke-bilangan-bilangan-qubit kemungkinan yang berbeza. Pada dasarnya ini berfungsi pada masalah pengoptimuman yang rumit, dan kelihatan mencari tenaga terendah atau jawaban terbaik untuk masalah pengoptimalan itu. Brownell menyatakan bahawa Google kini telah menaiktaraf mesin yang telah dibeli sebelum ini untuk makmal kecerdasan buatan kuantumnya, memeriksanya bagaimana ini boleh membantu dalam pembelajaran mesin. Pelanggan lain ialah Lockheed, yang melihat masalah yang dikenali sebagai pengesahan perisian dan pengesahan.

Brownell mengakui bahawa tidak ada contoh-contoh ini yang telah benar-benar masuk ke dalam pengeluaran, tetapi berkata mereka telah menjalankan aplikasi sebenar yang menyelesaikan masalah sebenar pada skala. Dalam erti kata lain, mereka belum lagi memukul titik di mana mesin D-Wave mengatasi superkomputer klasik, tetapi dia berkata "kami sangat dekat dengannya." Dalam beberapa bulan akan datang, syarikat itu akan menunjukkan "bahawa komputer kuantum dapat mengatasi yang terbaik daripada pengkomputeran klasik yang boleh dilakukan. Kami berada di titik engsel sekarang."

Mark Ritter, ahli kakitangan penyelidikan terkemuka dan pengurus kanan dalam jabatan sains fizikal di Pusat Penyelidikan IBM TJ Watson, menjelaskan bahawa pasukannya sedang melakukan beberapa projek kuantum yang berbeza, tetapi telah memfokuskan kerjanya pada pengkomputeran kuantum berasaskan pintu dan pembetulan kesilapan.

Salah satu ahli teori mengenai pasukannya, Sergey Bravyi, mencipta "kod pariti topologi." Dia menjelaskan bahawa kami menggunakan kod pembetulan ralat dalam komputer tradisional juga, tetapi maklumat kuantum sangat rapuh, jadi untuk membuat sistem berasaskan pintu, anda memerlukan kod untuk melindungi maklumat kuantum yang rapuh. Pasukannya mencipta sistem 4-qubit, dengan qubit dipanggil "transmons" yang dapat menyimpan beberapa maklumat kuantum untuk tempoh yang lebih lama dan dengan kod pembetulan ralat boleh membuat pengkomputeran kuantum berasaskan pintu. Beliau berkata ini seperti kisi persegi di mana qubit berada di puncak graf kertas; satu algoritma kemudian memaksimumkan kod ini ke atas qubit. Matlamat IBM adalah untuk dapat menambahkan lebih banyak qubit ke algoritma itu. Beliau berkata tidak lama lagi ia dapat mengekalkan keadaan kuantum selama-lamanya.

Beliau memperhatikan bagaimana kuantum kuantum menggunakan kelemahan merentas semua qubit dan melihat semua keadaan yang berpotensi, membandingkannya dengan corak gangguan yang anda lihat apabila anda menjatuhkan banyak batu di kolam, dan mendapatkan campur tangan yang membina dan merosakkan. Jawapan yang terbaik akan dibina secara membina, katanya, dan jawapan ini akan menjadi satu-satunya jawapan yang anda hadapi, jika terdapat satu jawapan kepada masalah itu. Di dalam komputer kuantum berasaskan pintu, dia berkata, anda boleh menggunakan gangguan dalam pengekodan ini untuk mendapatkan jawapan pada akhir proses, dan ini perlu dipamerkan secara eksponen untuk algoritma tertentu.

Walaupun ini mungkin masih jauh, Ritter berkata orang juga berfikir tentang penggunaan qubit untuk menjalankan simulasi analog dengan koheren yang tinggi, seperti mensimulasikan pelbagai molekul. Jacobs bersetuju mengenai simulasi kuantum, dan bercakap tentang simulasi kimia molekul stabil untuk mencari dadah.

Saya bertanya tentang algoritma Shor, yang menunjukkan bahawa dengan komputer kuantum, anda boleh memecahkan banyak kriptografi konvensional. Jacobs menggunakan analogi kapal roket yang cuba menghantar angkasawan ke bulan. Jacobs berkata bahawa algoritma yang menjalankan masalah yang kami cuba selesaikan, seperti algoritma Shor, serupa dengan modul arahan kapal roket, dan pembetulan kesilapan-seperti yang dilakukan oleh pasukan Ritter-seperti peringkat roket. Tetapi, katanya, jenis motosikal enjin roket atau roket yang kita ada sekarang tidak mencukupi untuk sebarang kapal roket saiz. Beliau berkata ia adalah satu soalan yang sangat rumit, dan semua overhead yang berkaitan dengan melakukan pengiraan kuantum dan pembetulan kesilapan bermakna bahawa banyak algoritma yang kelihatan sangat menjanjikan hari ini mungkin tidak dapat ditangani. Brownell berkata dia fikir kita mempunyai dekad atau lebih sebelum komputer kuantum dapat memecahkan enkripsi RSA dan kita perlu berpindah ke kriptografi pasca kuantum.

Brownell menegaskan bahawa model pintu masuk pengkomputeran kuantum sangat berbeza dengan penyepuhlanturan kuantum, dan membincangkan betapa bergunanya apabila menyelesaikan masalah pengoptimuman tertentu hari ini. Beliau juga berkata ia hampir dapat menyelesaikan masalah yang berada di luar jangkauan komputer klasik. Mengenai beberapa tanda aras, beliau berkata, Google telah mendapati bahawa mesin D-Wave dapat menyelesaikan masalah di mana-mana pada urutan 30-100.000x lebih cepat daripada algoritma tujuan umum hari ini. Walaupun ini bukan algoritma yang berguna, beliau berkata pasukannya memberi tumpuan kepada algoritma kes penggunaan sebenar yang boleh memanfaatkan keupayaan ini sebagai skala pemproses dalam prestasi setiap 12-18 bulan.

Brownell membandingkan pengkomputeran kuantum hari ini kepada Intel pada tahun 1974 apabila ia keluar dengan mikropemproses yang pertama. Beliau adalah dengan Digital Equipment Corp pada ketika itu, dan berkata pada masa itu "kami tidak terlalu risau mengenai Intel, kerana mereka mempunyai mikroprosesor kecil murah ini yang mana tidak jauh sama kuat dengan kotak-kotak dan barang-barang besar yang kami ada. Tetapi dalam masa sepuluh tahun, anda tahu, perniagaan telah hilang sepenuhnya dan Digital keluar dari perniagaan. " Beliau berkata walaupun dia tidak berfikir pengkomputeran kuantum akan mengancam seluruh dunia pengkomputeran klasik, dia mengharapkan untuk melihat penambahbaikan tambahan dalam pemproses setiap 18 bulan, ke titik di mana ia akan menjadi keupayaan yang diperlukan untuk pengurus IT dan pemaju untuk digunakan.

Secara khusus, beliau berkata, D-Wave telah membangunkan algoritma pembelajaran probabilistik, beberapa di dalam ruang pembelajaran yang mendalam, yang boleh melakukan pekerjaan yang lebih baik untuk mengenal pasti perkara dan dalam latihan daripada yang boleh dilakukan tanpa pengkomputeran kuantum. Akhirnya, dia melihat ini sebagai sumber dalam awan yang akan digunakan dengan sangat baik dalam pujian dengan komputer klasik.

Ritter berkata adalah sukar untuk membandingkan mana-mana kaedah kuantum terhadap mesin klasik yang menjalankan pengkomputeran tujuan umum, kerana orang membuat pemecut, dan menggunakan GPU dan FPGA yang direka untuk tugas tertentu. Beliau berkata bahawa jika anda benar-benar merancang ASIC yang khusus untuk menyelesaikan masalah anda, pengkomputeran kuantum sebenar dengan pecutan sebenar harus memukul mana-mana daripada mereka, kerana setiap qubit yang anda tambahkan beregu ruang konfigurasi. Dalam erti kata lain, meletakkan seribu qubit bersama-sama harus meningkatkan ruang dengan kuasa 2x1000, yang dia perhatikan adalah lebih daripada jumlah atom di alam semesta. Dan, katanya, dengan komputer berasaskan pintu, masalahnya adalah bahawa pintu gerbang lebih lambat daripada telefon bimbit anda, jadi anda mempunyai lebih banyak operasi yang terjadi sekaligus, tetapi setiap operasi lebih lambat daripada pada komputer klasik. "Itulah sebabnya anda perlu membuat mesin yang lebih besar sebelum anda melihat crossover ini, " katanya.

Jacobs menunjukkan sejauh mana komputasi kuantum yang lebih cekap. "Jika anda melihat kekuatan yang diperlukan menggunakan komputer super hijau terbaik di dunia, jika anda mahu melakukan simulasi 65 qubit, ia memerlukan satu loji kuasa nuklear, " katanya, "dan kemudian jika anda mahu untuk melakukannya, ia memerlukan dua loji tenaga nuklear."

Brownell berkata dengan lebih daripada 1, 000 qubit, mesin D-Wave semasa secara teorinya boleh mengendalikan model sehingga 2 hingga 1000, bersamaan dengan 10 hingga 300. (Sebagai perbandingan, katanya, saintis menganggarkan terdapat hanya sekitar 10 hingga ke-80 atom di alam semesta.) Oleh itu, beliau berkata had dalam prestasi komputer tidak disebabkan oleh pengehadan dalam penyepuh kuantum, melainkan untuk menghadkan saya / O fungsi, satu isu kejuruteraan yang ditangani dalam setiap generasi baru. Pada beberapa algoritma tanda aras, mesin 1152-qubit syarikat itu harus 600 kali lebih berkuasa daripada apa yang boleh dilakukan oleh komputer klasik, katanya.

Senibina D-Wave, yang menggunakan matriks qubit dengan gandingan yang dalam beberapa cara menyerupai rangkaian neural, mempunyai aplikasi permulaan untuk pembelajaran dalam rangkaian saraf dalam pembelajaran mesin.

Tetapi dia juga bercakap tentang aplikasi lain, seperti menjalankan simulasi bersamaan Monte Carlo, yang pernah dilakukannya di Goldman Sachs (di mana dia CIO) untuk pengiraan risiko-nilai. Dia teringat ini mengambil kira sejuta teras dan harus berjalan dalam semalam. Secara teorinya, komputer kuantum boleh melakukan perkara yang sama dengan kurang tenaga. Mesin D-Wave menggunakan sangat sedikit, tetapi perlu berjalan dalam peti sejuk besar yang mengekalkan suhu yang sangat rendah (kira-kira 8 milikelvin), tetapi mesin itu sendiri hanya memerlukan kira-kira 15-20 kW untuk berjalan, yang agak kecil untuk pusat data.

Ritter menyebut idea yang sama untuk model berasaskan pintu, dan membincangkan kuantum metropolis kuantum yang dia katakan adalah bersamaan dengan kuantum Monte Carlo, tetapi dengan statistik yang berbeza kerana ciri-ciri penangkapan.

Pasukan Ritter sedang menjalankan simulasi analog kuantum, di mana ia boleh mengira dan memetakan reka bentuk molekul ke dalam sambungan qubit dan memilikinya menyelesaikan mod yang ideal dan semua tingkah laku molekul, yang dikatakannya sangat sukar apabila anda mendapat sekitar 50 elektron.

Jacobs membincangkan kriptografi kuantum, yang melibatkan kunci yang dijana dengan cara yang boleh membuktikan bahawa tiada siapa yang mendengar dalam penghantaran. Ritter berkata IBM Charlie Bennett menganalisis teknik untuk "teleporting" qubit pada pautan ke qubit lain dalam mesin itu, tetapi berkata dia berfikir teknik tersebut lebih daripada beberapa tahun keluar.

Jacobs menegaskan perbezaan di antara kuantum pengkomputeran kuantum dan penyepuh kuantum, terutamanya dalam bidang pembetulan kesilapan, dan menyatakan bahawa terdapat satu lagi kaedah yang dipanggil pengiraan kuantum topologi yang diterapkan oleh Microsoft.

Satu cabaran yang menarik adalah menulis aplikasi untuk mesin sedemikian, yang Ritter menggambarkan sebagai menghantar nada dalam kekerapan tertentu yang menyebabkan qubits yang berbeza meresap dan berinteraksi antara satu sama lain dalam masa yang menyebabkan pengiraan berlaku "hampir seperti skor muzik." Beliau menyatakan bahawa terdapat bahasa peringkat tinggi, tetapi banyak kerja masih memerlukan ahli teori. Jacobs menyatakan bahawa terdapat pelbagai bahasa kuantum sumber terbuka seperti QASM dan Quipper, kedua-dua tertumpu pada model kuantum kuantum. Brownell menyatakan tidak banyak kegiatan penyepuhlantian kuantum, kerana ia lebih kontroversial sehingga baru-baru ini, dan berkata D-Wave terpaksa melakukan banyak kerja itu sendiri, dan sedang mengusahakan bahasa yang bergerak ke tahap yang lebih tinggi. Dalam tempoh lima tahun dia berharap ia akan mudah digunakan sebagai GPU atau sumber klasik lain.