Što je kvantno računanje? Rješenja za nemoguće probleme

U računalnoj industriji ne nedostaje hipera, iako čak i ja moram priznati da ponekad tehnologija ipak stigne obećanja. Dobar je primjer strojno učenje. Strojno učenje je popularno od 1950-ih, a konačno je postalo općenito korisno u posljednjem desetljeću.

Kvantno računanje predloženo je 1980-ih, ali još uvijek nije praktično, iako to nije umanjilo hype. Postoji eksperimentalni kvantni računar u malom broju istraživačkih laboratorija, te nekoliko komercijalnih kvantnih računala i kvantnih simulatora koje su proizveli IBM i drugi, ali čak i komercijalna kvantna računala i dalje imaju mali broj qubitova (što ću objasniti u sljedećem odjeljku ), visoke stope propadanja i značajne količine buke.

Objašnjeno kvantno računanje

Najjasnije objašnjenje kvantnog računanja koje sam pronašao nalazi se u ovom videu dr. Talije Gershon iz IBM-a. U videu Gershon djetetu, tinejdžeru, studentu i postdiplomskom studentu objašnjava kvantno računanje, a zatim s profesorom Steveom Girvinom sa sveučilišta Yale razgovara o mitovima i izazovima kvantnog računanja.

S djetetom ona pravi analogiju između komadića i novčića. Klasični komadići su binarni, poput novčića koji leže na stolu i pokazuju glave ili rep. Kvantni bitovi ( qubits ) su poput novčića koji se vrte na stolu, a koji bi se na kraju mogli srušiti u stanja koja su ili glave ili repovi.

Tinejdžeru koristi istu analogiju, ali dodaje riječ superpozicija za opis stanja vrtećeg se novčića. Superpozicija stanja je kvantno svojstvo, često viđeno u elementarnim česticama i u elektronskim oblacima atoma. U popularnoj znanosti uobičajena je analogija misaoni eksperiment Schrödingerove mačke, koji postoji u svojoj kutiji u superponiranom kvantnom stanju i živih i mrtvih, sve dok kutija ne bude otvorena i primijeti se da je to jedno ili drugo.

Gershon nastavlja razgovarati s tinejdžerom o kvantnoj zapletenosti . To znači da su stanja dvaju ili više isprepletenih kvantnih objekata povezana, čak i ako su odvojena.

Inače, Einstein je mrzio ovu ideju, koju je odbacio kao "sablasnu akciju na daljinu", ali fenomen je stvaran i eksperimentalno uočljiv, a nedavno je čak i fotografiran. Još bolje, svjetlost isprepletana kvantnim informacijama poslana je preko optičkog vlakna od 50 kilometara.

Na kraju, Gershon prikazuje tinejdžerski IBM-ov prototip kvantnog računala s hladnjakom za razrjeđivanje i raspravlja o mogućim primjenama kvantnih računala, poput modeliranja kemijskih veza.

Sa studentom Gershon ulazi u detalje o kvantnom računalu, kvantnom čipu i hladnjaku za razrjeđivanje koji smanjuje temperaturu čipa na 10 mK (milliKelvin). Gershon također detaljnije objašnjava kvantno preplitanje, zajedno s kvantnom superpozicijom i interferencijom. Konstruktivne kvantne smetnje koriste se u kvantnim računalima za pojačavanje signala koji vode do pravog odgovora, a destruktivne kvantne smetnje koriste se za poništavanje signala koji vode do pogrešnog odgovora. IBM pravi qubite od superprovodnih materijala.

Sa studentom grada, Gershon razgovara o mogućnosti korištenja kvantnih računala za ubrzavanje ključnih dijelova treninga modela dubokog učenja. Također objašnjava kako IBM koristi kalibrirane mikrovalne impulse za manipulaciju i mjerenje kvantnog stanja (kubita) računalnog čipa.

Glavni algoritmi za kvantno računanje (razmotreni u nastavku), koji su razvijeni prije nego što je čak i jedan kubit demonstriran, pretpostavljali su dostupnost milijuna savršenih kubita s otklonom grešaka i ispravljenih pogrešaka. Trenutno imamo računala s 50 qubita, a ona nisu savršena. Novi algoritmi u razvoju namijenjeni su radu s ograničenim brojem bučnih kubita koji imamo sada.

Steve Girvin, teoretski fizičar s Yalea, govori Gershonu o svom radu na kvantnim računalima otpornim na kvarove, koji još ne postoje. Njih dvoje raspravljaju o frustraciji kvantne dekoherentnosti - "Svoje kvantne podatke možete zadržati samo toliko dugo" - i bitnoj osjetljivosti kvantnih računala na šum zbog jednostavnog čina promatranja. Uboli su mitove da će kvantna računala za pet godina riješiti klimatske promjene, rak i. Girvin: "Trenutno smo u fazi vakuumske cijevi ili tranzistora u kvantnom računanju i borimo se da izumimo kvantne integrirane sklopove."

Kvantni algoritmi

Kao što je Gershon spomenula u svom videu, stariji kvantni algoritmi pretpostavljaju milijune savršenih, otpornih na greške, ispravljenih grešaka, koji još nisu dostupni. Ipak, vrijedi razgovarati o dvoje od njih kako bi razumjeli svoje obećanje i koje se protumjere mogu koristiti za zaštitu od njihove upotrebe u kriptografskim napadima.

Groverov algoritam

Groverov algoritam, koji je 1996. smislio Lov Grover, pronalazi obrnutu funkciju u O (√N) koracima; također se može koristiti za pretraživanje neuređenog popisa. Pruža kvadratni ubrzanje u odnosu na klasične metode, kojima su potrebni O (N) koraci.

Ostale primjene Groverovog algoritma uključuju procjenu srednje vrijednosti i medijana skupa brojeva, rješavanje problema sudara i kriptografske hash funkcije reverznog inženjeringa. Zbog kriptografske primjene, istraživači ponekad predlažu da se simetrične duljine ključeva udvostruče kako bi se zaštitili od budućih kvantnih napada.

Šor-ov algoritam

Šor-ov algoritam, koji je 1994. godine osmislio Peter Shor, pronalazi glavne čimbenike cijelog broja. Izvodi se u polinomnom vremenu u zapisniku (N), što ga čini eksponencijalno bržim od klasičnog sita općeg broja. Ovo eksponencijalno ubrzanje obećava da će slomiti kriptografske sheme s javnim ključem, poput RSA, ako bi postojala kvantna računala s "dovoljno" kubita (točan broj ovisio bi o veličini cijelog broja koji se uzima u obzir) u odsustvu kvantnog šuma i drugih kvantnih -dekoherencijski fenomeni.

Ako kvantna računala ikad postanu dovoljno velika i pouzdana da mogu uspješno pokrenuti Šor-ov algoritam protiv vrste velikih cijelih brojeva koji se koriste u RSA enkripciji, tada bi nam trebali novi "post-kvantni" kriptosustavi koji ne ovise o poteškoćama primarne faktorizacije.

Kvantna računalna simulacija u Atosu

Atos izrađuje kvantni simulator, Quantum Learning Machine, koji djeluje kao da ima 30 do 40 qubita. Hardverski / softverski paket uključuje kvantni programski jezik i hibridni jezik visoke razine zasnovan na Pythonu. Uređaj se koristi u nekoliko nacionalnih laboratorija i tehničkih sveučilišta.

Kvantno žarenje na D-valu

D-Wave izrađuje kvantne sustave žarenja poput DW-2000Q, koji su malo drugačiji i manje korisni od kvantnih računala opće namjene. Proces žarenja vrši optimizaciju na način sličan algoritmu stohastičkog gradijentnog spuštanja (SGD), popularnom za treniranje neuronskih mreža dubokog učenja, osim što omogućuje mnoštvo istodobnih polaznih točaka i kvantnih tunela kroz lokalna brda. Računala D-Wave ne mogu izvoditi kvantne programe poput Šorovog algoritma.

D-Wave tvrdi da sustav DW-2000Q ima do 2048 qubita i 6016 spojnica. Da bi se postigla ova razmjera, koristi 128 000 Josephsonovih spojeva na supravodljivom kvantnom procesnom čipu, hlađenom hladnjakom za razrjeđivanje helija na manje od 15 mK. Paket D-Wave uključuje paket Python alata otvorenog koda koji su hostirani na GitHubu. DW-2000Q koristi se u nekoliko nacionalnih laboratorija, obrambenih tvrtki i globalnih poduzeća.

Kvantno računanje na Google AI

Google AI provodi istraživanje supravodljivih kubita s skalabilnom arhitekturom zasnovanom na čipu koja cilja dvostruku kubitnu pogrešku vrata <0,5%, kvantnim algoritmima za modeliranje sustava interakcijskih elektrona s primjenama u kemiji i znanosti o materijalima, na hibridnim kvantno-klasičnim rješavačima za približnu optimizaciju , o okviru za implementaciju kvantne neuronske mreže na kratkotrajnim procesorima i o kvantnoj nadmoći.

Google je 2018. najavio stvaranje 72-kubitnog supravodljivog čipa nazvanog Bristlecone. Svaki se qubit može povezati s četiri najbliža susjeda u 2D nizu. Prema Hartmutu Nevenu, direktoru Googleova laboratorija za kvantnu umjetnu inteligenciju, snaga kvantnog računanja povećava se na dvostruko eksponencijalnoj krivulji, na temelju broja konvencionalnih procesora koji laboratoriju trebaju replicirati rezultate s njihovih kvantnih računala.

Krajem 2019. Google je objavio da je postigao kvantnu nadmoć, uvjet u kojem kvantna računala mogu riješiti probleme koji se ne mogu riješiti na klasičnim računalima, koristeći novi procesor od 54 kubita pod nazivom Sycamore. Googleov tim AI Quantum objavio je rezultate ovog eksperimenta s kvantnom nadmoći u članku Nature , "Kvantna nadmoć korištenjem programabilnog superprovodnog procesora". 

Kvantno računanje u IBM-u

U videu o kojem sam ranije razgovarao, dr. Gershon spominje da "U ovom laboratoriju sjede tri kvantna računala koja svatko može koristiti." Misli na IBM Q sustave koji su izgrađeni oko transmonskih kubita, u osnovi spojeva niobija Josephsona konfiguriranih da se ponašaju poput umjetnih atoma, upravljanih mikrovalnim impulsima koji aktiviraju mikrovalne rezonatore na kvantnom čipu, koji se pak obraćaju i spajaju s kubitima na procesor.

IBM nudi tri načina za pristup svojim kvantnim računalima i kvantnim simulatorima. Za "bilo koga" postoji Qiskit SDK i hostirana verzija oblaka pod nazivom IBM Q Experience (pogledajte snimak zaslona u nastavku), koji također nudi grafičko sučelje za dizajniranje i testiranje sklopova. Na sljedećoj razini, kao dio IBM Q mreže, organizacijama (sveučilištima i velikim tvrtkama) omogućen je pristup najnaprednijim kvantnim računalnim sustavima i razvojnim alatima IBM Q.

Qiskit podržava Python 3.5 ili noviji i radi na Ubuntuu, macOS-u i Windowsima. Da biste predali program Qiskit jednom od IBM-ovih kvantnih računala ili kvantnih simulatora, trebaju vam vjerodajnice IBM Q Experience. Qiskit uključuje algoritam i knjižnicu aplikacija, Aqua, koja pruža algoritme kao što je Grover's Search i aplikacije za kemiju, AI, optimizaciju i financije.

IBM je krajem 2019. predstavio novu generaciju sustava Q Q sa 53 kubita, kao dio proširene flote kvantnih računala u novom IBM Quantum Computation Center u državi New York. Ova računala dostupna su u oblaku za preko 150 000 registriranih korisnika IBM-a i gotovo 80 komercijalnih klijenata, akademskih institucija i istraživačkih laboratorija.

Kvantno računanje u Intelu

Istraživanje u tvrtki Intel Labs izravno je dovelo do razvoja Tangle Lake, superprovodljivog kvantnog procesora koji uključuje 49 kubita u paketu koji se proizvodi u Intelovu 300-milimetarskom proizvodnom pogonu u Hillsborou u Oregonu. Ovaj uređaj predstavlja treću generaciju kvantnih procesora koje je proizveo Intel, povećavajući se sa 17 qubita u svom prethodniku. Intel je poslao procesore Tangle Lake u QuTech u Nizozemskoj na testiranje i rad na dizajnu na razini sustava.

Intel također istražuje spin qubit-ove koji funkcioniraju na temelju spina jednog elektrona u siliciju, kontroliranog mikrovalnim impulsima. U usporedbi sa supravodljivim kubitima, spin kubiti mnogo više nalikuju postojećim poluvodičkim komponentama koje rade u siliciju, potencijalno iskorištavajući postojeće tehnike izrade. Očekuje se da će spinovi kubiti ostati koherentni daleko duže od supravodljivih kubita i zauzimati puno manje prostora.

Kvantno računanje u Microsoftu

Microsoft istražuje kvantna računala više od 20 godina. U javnoj najavi Microsoftovih kvantnih računarskih napora u listopadu 2017., dr. Krysta Svore raspravljala je o nekoliko otkrića, uključujući upotrebu topoloških qubita, programski jezik Q # i Quantum Development Kit (QDK). Na kraju će Microsoftova kvantna računala biti dostupna kao koprocesori u Azureovom oblaku.

Topološki kubiti imaju oblik supravodljivih nanožiča. U ovoj se shemi dijelovi elektrona mogu odvojiti, stvarajući povećanu razinu zaštite podataka pohranjenih u fizičkom kubitu. Ovo je oblik topološke zaštite poznat kao kvazi čestica Majorana. Kvazičestica Majorana, čudan fermion koji djeluje kao vlastita antičestica, bila je predviđena 1937. godine, a prvi put je otkrivena u laboratoriju Microsoft Quantum u Nizozemskoj 2012. Topološki qubit daje bolji temelj od Josephsonovih spojeva budući da ima niže stope pogrešaka, smanjujući omjer fizičkih kubita i logičnih kubita ispravljenih. S ovim smanjenim omjerom, logičniji kubiti mogu stati u hladnjak za razrjeđivanje, stvarajući mogućnost skaliranja.

Microsoft je različito procijenio da jedan topološki kubit Majorana vrijedi između 10 i 1.000 kubita Josephson spoja u smislu logičkih kubita ispravljenih pogreškama. Inače, Ettore Majorana, talijanski teoretski fizičar koji je predvidio kvazičesticu na temelju valne jednadžbe, nestao je u nepoznatim okolnostima tijekom putovanja brodom iz Palerma u Napulj 25. ožujka 1938. godine.