V računalniški industriji ne manjka hype, čeprav moram celo priznati, da tehnologija včasih dohiteva obljube. Strojno učenje je dober primer. Strojno učenje se širi od petdesetih let prejšnjega stoletja in je končno postalo splošno uporabno v zadnjem desetletju.
Kvantno računanje je bilo predlagano v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, vendar še vedno ni praktično, čeprav to ni ublažilo hype. V majhnem številu raziskovalnih laboratorijev obstajajo eksperimentalni kvantni računalniki in nekaj komercialnih kvantnih računalnikov in kvantnih simulatorjev, ki jih proizvajajo IBM in drugi, vendar imajo celo komercialni kvantni računalniki še vedno majhno število kubitov (kar bom razložil v naslednjem poglavju ), visoke stopnje razpada in velike količine hrupa.
Razloženo kvantno računanje
Najbolj jasna razlaga kvantnega računalništva, ki sem jo našel, je v tem videoposnetku dr. Talie Gershon iz IBM-a. V videu Gershon otroku, najstniku, študentu in podiplomskemu študentu razloži kvantno računalništvo, nato pa o profesorju Stevu Girvinu z univerze Yale razpravlja o mitih in izzivih kvantnega računalništva.
Otroku naredi analogijo med koščki in drobiži. Klasični bitji so binarni, na primer peni, ki ležijo na mizi in kažejo glave ali rep. Kvantni bit (qubits) so kot peni, ki se vrtijo po mizi in se sčasoma lahko sesujejo v stanja, ki so bodisi glave bodisi repi.
Najstnica uporablja isto analogijo, vendar doda besedo superpozicija za opis stanja predenja penija. Superpozicija stanj je kvantna lastnost, ki jo pogosto opazimo v osnovnih delcih in v elektronskih oblakih atomov. V poljudni znanosti je običajna analogija miselni eksperiment Schrödingerjeve mačke, ki v svoji škatli obstaja v superponiranem kvantnem stanju tako živega kot mrtvega, dokler se škatla ne odpre in se opazi, da gre za eno ali drugo.
Gershon nadaljuje z razpravo o kvantu zapletanje z najstnikom. To pomeni, da sta stanja dveh ali več zapletenih kvantnih objektov povezana, tudi če sta ločena.
Mimogrede, Einstein je sovražil to idejo, ki jo je zavrnil kot "strašljivo dejanje na daljavo", vendar je pojav resničen in ga je mogoče eksperimentalno opaziti in je bil pred kratkim celo fotografiran. Še bolje, svetloba, zapletena s kvantnimi informacijami, je bila poslana prek 50-kilometrskega optičnega vlakna.
Na koncu Gershon pokaže prototip najstniškega IBM-ovega kvantnega računalnika s hladilnikom za redčenje in razpravlja o možnih aplikacijah kvantnih računalnikov, kot je modeliranje kemičnih vezi.
S študentom Gershon podrobneje preuči kvantni računalnik, kvantni čip in hladilnik za redčenje, ki zniža temperaturo čipa na 10 mK (milliKelvin). Gershon podrobneje razloži tudi kvantno zapletanje, skupaj s kvantno superpozicijo in interferenco. Konstruktivne kvantne interference se v kvantnih računalnikih uporabljajo za ojačanje signalov, ki vodijo do pravega odgovora, destruktivne kvantne interference pa za preklic signalov, ki vodijo do napačnega odgovora. IBM iz superprevodnih materialov dela kubite.
S študentom se Gershon pogovarja o možnosti uporabe kvantnih računalnikov za pospešitev ključnih delov usposabljanja modelov globokega učenja. Pojasnjuje tudi, kako IBM uporablja kalibrirane mikrovalovne impulze za manipulacijo in merjenje kvantnega stanja (kubitov) računalniškega čipa.
Glavni algoritmi za kvantno računanje (obravnavani spodaj), ki so bili razviti, še preden je bil predstavljen niti en kubit, so predvidevali razpoložljivost milijonov popolnih, odpornih na napake popravljenih napak. Trenutno imamo računalnike s 50 kubiti in niso popolni. Novi algoritmi v razvoju naj bi delovali z omejenim številom hrupnih kubitov, ki jih imamo zdaj.
Steve Girvin, teoretični fizik z Yalea, pripoveduje Gershonu o svojem delu na kvantnih računalnikih, odpornih na napake, ki še ne obstajajo. Oba se pogovarjata o frustraciji kvantne dekoherentnosti - "Svoje informacijske kvante lahko obdržite le tako dolgo" - in bistveni občutljivosti kvantnih računalnikov na šum zaradi preprostega dejanja opazovanja. Zabodli so se v mite, da bodo kvantni računalniki v petih letih reševali podnebne spremembe, raka in. Girvin: "Trenutno smo na stopnji vakuumske cevi ali tranzistorja kvantnega računanja in se trudimo izumiti kvantna integrirana vezja."
Kvantni algoritmi
Kot je Gershon omenila v svojem videu, starejši kvantni algoritmi predvidevajo milijone popolnih, odpornih na napake popravljenih napak, ki še niso na voljo. Kljub temu se je vredno pogovoriti o dveh, da bi razumeli svojo obljubo in kakšne protiukrepe lahko uporabimo za zaščito pred njihovo uporabo v kriptografskih napadih.
Groverjev algoritem
Groverjev algoritem, ki ga je leta 1996 zasnoval Lov Grover, najde obratno funkcijo v korakih O (√N); lahko se uporablja tudi za iskanje po neurejenem seznamu. Omogoča kvadratno pospešitev klasičnih metod, ki potrebujejo O (N) korake.
Druge aplikacije Groverjevega algoritma vključujejo oceno povprečja in mediane nabora števil, reševanje problema trka in kriptografske zgoščevalne funkcije obratnega inženiringa. Zaradi kriptografske aplikacije raziskovalci včasih predlagajo, da se simetrične dolžine ključev podvojijo, da se zaščitijo pred prihodnjimi kvantnimi napadi.
Šorjev algoritem
Shorjev algoritem, ki ga je leta 1994 zasnoval Peter Shor, najde glavne dejavnike celega števila. Deluje v polinomskem času v dnevniku (N), zaradi česar je eksponentno hitrejši od klasičnega sita s splošnim številom. To eksponentno pospeševanje obljublja, da bo prekinilo kriptografske sheme z javnimi ključi, kot je RSA, če bi obstajali kvantni računalniki z "dovolj" kubiti (natančno število bi bilo odvisno od velikosti števila, ki se upošteva) v odsotnosti kvantnega šuma in drugih kvantnih -dekoherenčni pojavi.
Če kvantni računalniki kdaj postanejo dovolj veliki in zanesljivi, da uspešno izvajajo Shorjev algoritem proti nekakšnim velikim celim številom, ki se uporabljajo pri šifriranju RSA, potem bi potrebovali nove kriptosisteme "post-kvantne", ki niso odvisni od težavnosti faktorizacije.
Kvantna računalniška simulacija pri Atosu
Atos izdeluje kvantni simulator, Quantum Learning Machine, ki deluje, kot da ima od 30 do 40 kubitov. Programski paket strojne opreme vključuje programski jezik za kvantno sestavljanje in hibridni jezik na visoki ravni, ki temelji na Pythonu. Naprava se uporablja v nekaj nacionalnih laboratorijih in tehničnih univerzah.
Kvantno žarjenje na valu D
D-Wave izdeluje sisteme kvantnega žarjenja, kot je DW-2000Q, ki so nekoliko drugačni in manj uporabni kot splošni kvantni računalniki. Postopek žarjenja optimizira na način, ki je podoben algoritmu stohastičnega gradientnega spusta (SGD), ki je priljubljen za usposabljanje nevronskih mrež globokega učenja, le da omogoča veliko sočasnih izhodišč in kvantnih tunelov skozi lokalne hribe. Računalniki D-Wave ne morejo izvajati kvantnih programov, kot je Šorjev algoritem.
D-Wave trdi, da ima sistem DW-2000Q do 2048 kubitov in 6016 spenjačev. Da bi dosegel to lestvico, uporablja 128.000 Josephsonovih križišč na superprevodnem kvantnem procesnem čipu, ki ga hladilnik za redčenje helija ohladi na manj kot 15 mK. Paket D-Wave vključuje nabor odprtokodnih orodij Python, ki jih gosti GitHub. DW-2000Q je v uporabi v nekaj nacionalnih laboratorijih, obrambnih izvajalcih in svetovnih podjetjih.
Kvantno računanje na Google AI
Google AI raziskuje superprevodne kubite s prilagodljivo arhitekturo na osnovi čipov, ki cilja na napako dvokvotnih vrat <0,5%, kvantne algoritme za modeliranje sistemov medsebojno delujočih elektronov z aplikacijami v kemiji in znanosti o materialih, hibridne kvantno-klasične rešitve za približno optimizacijo , o okviru za izvajanje kvantne nevronske mreže na kratkoročnih procesorjih in o kvantni nadvladi.
Leta 2018 je Google napovedal ustvarjanje 72-kubitnega superprevodniškega čipa, imenovanega Bristlecone. Vsak qubit se lahko poveže s štirimi najbližjimi sosedi v 2D matriki. Po besedah Hartmuta Nevena, direktorja Googlovega laboratorija za kvantno umetno inteligenco, se moč kvantnih računalnikov povečuje na dvojno eksponentni krivulji, ki temelji na številu običajnih procesorjev, ki jih laboratorij potrebuje za kopiranje rezultatov iz svojih kvantnih računalnikov.
Konec leta 2019 je Google sporočil, da je dosegel kvantno premoč, pogoj, ko lahko kvantni računalniki z novim 54-kubitnim procesorjem Sycamore rešujejo težave, ki jih je mogoče rešiti na klasičnih računalnikih. Skupina Google AI Quantum je objavila rezultate tega eksperimenta kvantne nadvlade v Narava članek, »Kvantna nadmoč s pomočjo programabilnega superprevodnega procesorja.«
Kvantno računanje pri IBM-u
V videu, o katerem sem že razpravljal, je dr. Gershon omenil, da »V tem laboratoriju sedijo trije kvantni računalniki kdorkoli lahko uporabi." Omenja se na sisteme IBM Q, ki so zgrajeni okoli transmonskih kubitov, v bistvu križišč niobija Josephson, ki so konfigurirani tako, da se obnašajo kot umetni atomi, krmiljeni z mikrovalovnimi impulzi, ki sprožijo mikrovalovne resonatorje na kvantnem čipu, ki se nato naslovijo in povežejo s kubiti na procesor.
IBM ponuja tri načine za dostop do svojih kvantnih računalnikov in kvantnih simulatorjev. Za "vsakogar" sta na voljo Qiskit SDK in gostujoča različica v oblaku, imenovana IBM Q Experience (glej posnetek zaslona spodaj), ki ponuja tudi grafični vmesnik za načrtovanje in testiranje vezij. Na naslednji ravni imajo organizacije (univerze in velika podjetja) kot del IBM Q Network dostop do najnaprednejših sistemov in razvojnih orodij IBM Q.
Qiskit podpira Python 3.5 ali novejšo različico in deluje v Ubuntu, macOS in Windows. Če želite program Qiskit predložiti enemu od IBM-ovih kvantnih računalnikov ali kvantnih simulatorjev, potrebujete poverilnice IBM Q Experience. Qiskit vključuje knjižnico algoritmov in aplikacij Aqua, ki ponuja algoritme, kot so Grover's Search in aplikacije za kemijo, umetno inteligenco, optimizacijo in finance.
IBM je konec leta 2019 predstavil novo generacijo sistema Q Q s 53 kubitimi kot del razširjene flote kvantnih računalnikov v novem IBM Quantum Computation Center v zvezni državi New York. Ti računalniki so v oblaku na voljo več kot 150.000 registriranim uporabnikom IBM-a in skoraj 80 komercialnim strankam, akademskim ustanovam in raziskovalnim laboratorijem.
Kvantno računalništvo pri Intelu
Raziskave v Intel Labs so neposredno privedle do razvoja Tangle Lake, superprevodnega kvantnega procesorja, ki vključuje 49 kubitov v paketu, ki je izdelan v 300-milimetrski Intelovi proizvodni tovarni v Hillsboroju v Oregonu. Ta naprava predstavlja tretjo generacijo kvantnih procesorjev, ki jih je izdelal Intel, pri predhodniku pa se je povečal s 17 kubitov. Intel je v QuTech na Nizozemskem poslal procesorje Tangle Lake na testiranje in delo na sistemski zasnovi.
Intel raziskuje tudi spin kubite, ki delujejo na osnovi spina enega elektrona v siliciju, ki ga nadzirajo mikrovalovni impulzi. V primerjavi s superprevodnimi kubiti spinski kubiti veliko bolj spominjajo na obstoječe polprevodniške komponente, ki delujejo v siliciju, in potencialno izkoriščajo obstoječe tehnike izdelave. Spin qubits naj bi ostali koherentni veliko dlje kot superprevodni kubiti in zavzeli veliko manj prostora.
Kvantno računalništvo pri Microsoftu
Microsoft že več kot 20 let raziskuje kvantne računalnike. V javni objavi Microsoftovega prizadevanja za kvantno računalništvo oktobra 2017 je dr. Krysta Svore razpravljala o več prebojnih dosežkih, vključno z uporabo topoloških kubitov, programskim jezikom Q # in Quantum Development Kit (QDK). Sčasoma bodo Microsoftovi kvantni računalniki na voljo kot soprocesorji v oblaku Azure.
Topološki kubiti imajo obliko superprevodnih nanožic. V tej shemi je mogoče dele elektrona ločiti, kar ustvarja večjo raven zaščite informacij, shranjenih v fizičnem kubitu. To je oblika topološke zaščite, znana kot kvazi delci Majorana. Kvazidelec Majorana, čuden fermion, ki deluje kot lasten antidelec, je bil napovedan leta 1937, prvič pa je bil odkrit v laboratoriju Microsoft Quantum na Nizozemskem leta 2012. Topološki kubit zagotavlja boljše temelje kot križišča Josephson ker ima nižje stopnje napak, kar zmanjšuje razmerje med fizičnimi kubiti in logičnimi, popravljenimi napakami. S tem zmanjšanim razmerjem se v hladilnik za redčenje lahko prilega več logičnih kubitov, kar ustvarja sposobnost skaliranja.
Microsoft je različno ocenil, da je en topološki kubit Majorana vreden med 10 in 1000 spojnicami Josephson v smislu napak, popravljenih logičnih kubitov. Poleg tega je Ettore Majorana, italijanski teoretični fizik, ki je napovedal kvazi delce na podlagi valovne enačbe, izginil v neznanih okoliščinah med potovanjem z ladjo iz Palerma v Neapelj 25. marca 1938.
