Квантовые вычисления ближе к реальности?

Квантовые вычисления - идея работы с компьютерами, которые показывают квантовые свойства, такие как способность удерживать несколько состояний одновременно - обсуждалась в течение длительного времени, но теперь, похоже, приближается к реальности с некоторыми значительными успехами. На прошлой неделе на конференции Techonomy у меня была возможность провести дискуссию на эту тему с лидерами некоторых компаний, которые активно обсуждают эту тему, включая D-Wave и IBM.

Брайан Джейкобс, консультант Berberian & Company, который предлагает советы по квантовым вычислениям, объяснил, что во всей электронике, которую мы используем сегодня, информация хранится через заряд электрона, который либо включен, либо выключен; другими словами, немного. Но если вы закодируете информацию в квантовом состоянии, например, одном электроне или фотоне, вы можете отобразить ее в ноль и единицу, как обычный классический бит, но также и в суперпозицию, где она может быть равной нулю и единице одновременно., Он объяснил, что интересное понятие заключается в том, что если у вас есть квантовый компьютер, который имеет большое количество этих квантовых битов, часто называемых кубитами, вы можете запустить его в суперпозиции всех возможных входов одновременно, а затем, если сможете, обрабатывать информацию квантово-когерентным способом, в некотором смысле вы можете вычислять одну и ту же функцию на всех возможных входах одновременно. Это известно как квантовый параллелизм. Он отметил, что есть несколько разных подходов, которые люди сегодня пробуют - один основан на затворе, который больше похож на традиционные цифровые компьютеры, а другой отчасти похож на аналоговый процесс, известный как квантовый отжиг.

Верн Браунелл, генеральный директор D-Wave Systems, которая фактически поставила несколько машин, использующих квантовый отжиг, сказал, что его компания решила использовать этот подход в первую очередь, «потому что мы думали, что это даст нам возможность быстрее, чем любой другой тип квантового вычислительная реализация. " Он сказал, что D-Wave изучил и другие модели квантовых вычислений, но этот подход был наиболее прагматичным.

Он объяснил, что фактически у него есть квантовый отжиг с тысячей кубитов, который способен исследовать пространство ответов с двумя возможными вариантами числа кубитов. По сути, это работает со сложными задачами оптимизации и ищет наиболее низкую энергию или лучший ответ для этой задачи оптимизации. Браунелл отметил, что Google теперь модернизировал ранее приобретенную машину для своей лаборатории квантового искусственного интеллекта, изучая, как это может помочь в машинном обучении. Другим клиентом является Lockheed, который занимается проблемой, называемой верификацией и проверкой программного обеспечения.

Браунелл признал, что ни один из этих примеров еще не запущен в производство, но сказал, что они запускают реальные приложения, которые решают реальные проблемы в масштабе. Другими словами, они еще не достигли того уровня, когда машина D-Wave превосходит классические суперкомпьютеры, но он сказал: «Мы очень близки к этому». В ближайшие несколько месяцев компания продемонстрирует, что «квантовый компьютер может превзойти все лучшее, что могут сделать классические вычисления. Мы сейчас находимся на этом этапе».

Марк Риттер, выдающийся научный сотрудник и старший менеджер отдела физических наук в Исследовательском центре IBM TJ Watson, объяснил, что его команда выполняет ряд различных квантовых проектов, но сосредоточил свою работу на квантовых вычислениях на основе шлюзов и исправлении ошибок.,

Один из теоретиков в его команде, Сергей Бравый, изобрел «топологический код паритета». Он объяснил, что мы используем коды исправления ошибок и в традиционных компьютерах, но квантовая информация очень хрупкая, поэтому для создания системы на основе шлюза необходим код для защиты этой хрупкой квантовой информации. Его команда создала систему с 4 кубитами, с кубитами, называемыми «трансмонами», которые могут сохранять некоторую квантовую информацию в течение более длительного периода, а с помощью кода с исправлением ошибок можно создавать квантовые вычисления на основе логических элементов. Он сказал, что это похоже на квадратную решетку, где кубиты находятся в вершинах миллиметровки; алгоритм затем накладывает этот код на кубиты. Цель IBM - иметь возможность добавлять все больше кубитов в этот алгоритм. Он сказал, что вскоре он сможет сохранить квантовое состояние на неопределенный срок.

Он отметил, как квантовые врата используют запутывание во всех кубитах и ​​смотрят на все потенциальные состояния, сравнивая это с интерференционной картиной, которую вы видите, когда вы бросаете много камней в пруд, и получаете конструктивное и разрушительное вмешательство. По его словам, лучшим ответом будет конструктивное вмешательство, и этот ответ будет единственным ответом, который у вас получится, если будет единый ответ на проблему. По его словам, в квантовом компьютере на основе затвора вы можете использовать помехи в этом кодировании, чтобы получить ответ в конце процесса, и что это должно быть ускорено экспоненциально для определенных алгоритмов.

Хотя это все еще может быть далеко, Риттер сказал, что люди также думают об использовании кубитов для запуска аналоговых симуляций с высокой когерентностью, таких как симуляция различных молекул. Джейкобс согласился с квантовым моделированием и рассказал о химическом моделировании стабильных молекул для поиска лекарств.

Я спросил об алгоритме Шора, который предполагает, что с квантовым компьютером вы можете сломать большую часть обычной криптографии. Якобс использовал аналогию с ракетным кораблем, пытающимся отправить астронавтов на Луну. Якобс сказал, что алгоритм, который выполняет задачу, которую мы пытаемся решить, такой как алгоритм Шора, похож на командный модуль ракетного корабля, и что исправление ошибок, например, над чем работает команда Риттера, похоже на этапы. ракеты. Но, по его словам, типы двигателей с бензиновым или ракетным двигателем, которые у нас сейчас есть, недостаточны для любого размера ракетного корабля. Он сказал, что это очень сложный вопрос, и что все накладные расходы, связанные с выполнением квантовых вычислений и исправлением ошибок, означают, что многие из алгоритмов, которые сегодня выглядят действительно многообещающими, могут не сработать. Браунелл сказал, что, по его мнению, у нас есть десятилетие или больше, прежде чем квантовые компьютеры смогут сломать шифрование RSA, и нам придется перейти к постквантовой криптографии.

Браунелл подчеркнул, что модель затвора квантовых вычислений сильно отличается от квантового отжига, и рассказал о том, насколько она полезна при решении определенных задач оптимизации сегодня. Он также сказал, что это может почти решить проблемы, недоступные классическим компьютерам. Он отметил, что в некоторых тестах Google обнаружил, что машина D-Wave может решать проблемы где-то в 30-100 000 раз быстрее, чем алгоритм общего назначения сегодня. Хотя это не был полезный алгоритм, он сказал, что его команда сосредоточена на реальных алгоритмах сценариев использования, которые могут воспользоваться этой возможностью, поскольку производительность процессора увеличивается каждые 12-18 месяцев.

Браунелл сравнил квантовые вычисления сегодня с Intel в 1974 году, когда она выпустила первый микропроцессор. В тот момент он работал в Digital Equipment Corp. и сказал, что в то время «мы не особенно беспокоились об Intel, потому что у них были эти дешевые маленькие микропроцессоры, которые были далеко не такими мощными, как эти большие коробки и все, что у нас было. Но через десять лет, как вы знаете, бизнес полностью исчез, а Digital обанкротился ». Он сказал, что, хотя он и не думал, что квантовые вычисления будут угрожать всему классическому вычислительному миру, он ожидает, что эти постепенные улучшения в процессорах будут происходить каждые 18 месяцев, до такой степени, что это станет необходимой возможностью для ИТ-менеджеров. и разработчики использовать.

В частности, по его словам, D-Wave совместно разработал вероятностные алгоритмы обучения, некоторые из которых в глубоком пространстве обучения, которые могут лучше распознавать вещи и обучаться, чем это можно сделать без квантовых вычислений. В конце концов, он видит это как ресурс в облаке, который будет очень широко использоваться в дополнение к классическим компьютерам.

Риттер сказал, что трудно действительно сравнить какие-либо квантовые методы с классическими машинами, выполняющими вычисления общего назначения, потому что люди делают ускорители и используют графические процессоры и ПЛИС, предназначенные для конкретных задач. Он сказал, что если вы на самом деле разработали ASIC, которая была специфична для решения вашей проблемы, реальные квантовые вычисления с реальным ускорением должны превзойти любой из них, потому что каждый добавляемый вами кубит удваивает это пространство конфигурации. Другими словами, объединение тысячи кубитов должно увеличить пространство на 2x1000- ^ю степень, что, как он отметил, превышает число атомов во вселенной. И, по его словам, с компьютером на базе шлюза проблема заключается в том, что ворота работают медленнее, чем ваш сотовый телефон, поэтому у вас одновременно происходит больше операций, но каждая операция медленнее, чем на классическом компьютере. «Вот почему вы должны сделать большую машину, прежде чем увидите этот кроссовер», - сказал он.

Джейкобс указал, насколько более эффективными могут быть квантовые вычисления. «Если вы посмотрите на мощность, которая требуется для использования лучших супер-зеленых суперкомпьютеров в мире, если вы хотите провести моделирование в 65 кубитов, для этого потребуется одна атомная электростанция, - сказал он, - а затем, если вы захотите, для выполнения 66 потребуется две атомные электростанции ".

Браунелл сказал, что с более чем 1000 кубитами нынешняя машина D-Wave теоретически может обрабатывать модели от 2 до 1000, что эквивалентно 10–300. (Для сравнения, по его словам, ученые оценивают, что во Вселенной всего около ^10–80 атомов.) Поэтому он говорит, что ограничения производительности на компьютере связаны не с ограничениями в квантовом отжиге, а с ограничением в I. / O функции, техническая проблема, которая решается в каждом новом поколении. По его словам, в некоторых эталонных алгоритмах машина с 1152 кубитами должна быть в 600 раз мощнее, чем лучшие из классических компьютеров.

Архитектура D-Wave, которая использует матрицу кубитов со связями, которая в некотором роде напоминает нейронную сеть, изначально применялась для нейронных сетей глубокого обучения в машинном обучении.

Но он также говорил о других приложениях, таких как запуск симуляции Монте-Карло, которую он делал в Goldman Sachs (где он был ИТ-директором) для расчетов стоимости и риска. Он помнил, что для этого потребовалось около миллиона ядер и нужно было работать всю ночь. Теоретически, квантовый компьютер может делать подобные вещи с гораздо меньшей энергией. Он сказал, что машина D-Wave использует очень мало, но должна работать в большом холодильнике, который поддерживает очень низкие температуры (около 8 милькельвин), но что для работы самой машины требуется всего около 15-20 кВт, что довольно мало. для центра обработки данных.

Риттер упомянул аналогичную идею для модели, основанной на затворе, и обсудил квантовую выборку метрополии, которая, по его словам, является эквивалентом квантового Монте-Карло, но с другой статистикой из-за свойств запутанности.

Команда Риттера работает над квантовым аналоговым моделированием, где он может вычислить и отобразить молекулярный дизайн в соединение кубитов и заставить его решать идеальные моды и все виды поведения молекулы, что, по его словам, очень сложно, когда вы получите около 50 электронов., Джейкобс обсуждал квантовую криптографию, которая включает ключ, который генерируется таким образом, чтобы доказать, что никто не слушал передачу. Риттер сказал, что Чарли Беннетт из IBM теоретизировал методику «телепортации» кубита по ссылке в другой кубит в машине, но сказал, что такие методики существуют более чем через несколько лет.

Джейкобс указал на различия между вычислениями на квантовых затворах и квантовым отжигом, особенно в области исправления ошибок, и отметил, что существует еще один метод, называемый топологическими квантовыми вычислениями, над которым работает Microsoft.

Одна интересная задача - написание приложений для таких машин, которые Риттер описал как посылку тонов на определенной частоте, которая заставляет разные кубиты резонировать и взаимодействовать друг с другом во времени, что приводит к тому, что вычисления происходят «почти как музыкальная партитура». Он отметил, что существуют языки более высокого уровня, но большая работа все еще требует теоретика. Джейкобс отметил, что существуют различные уровни квантовых языков с открытым исходным кодом, таких как QASM и Quipper, которые в основном сосредоточены на модели квантовых ворот. Браунелл отметил, что не было такой большой активности в области квантового отжига, потому что до недавнего времени он был более противоречивым, и сказал, что D-Wave пришлось самому выполнять большую часть этой работы и работает над переводом языков на более высокие уровни. В течение пяти лет он надеется, что его будет так же легко использовать, как графический процессор или другой классический ресурс.