Er kvanteberegning tættere på virkeligheden?

Kvanteberegning - ideen om at arbejde med computere, der viser kvanteegenskaber, såsom at være i stand til at holde flere tilstande på samme tid - er blevet diskuteret i lang tid, men ser nu ud til at komme tættere på virkeligheden med nogle store fremskridt. På sidste uges Techonomy-konference havde jeg muligheden for at være vært for et panel om emnet med ledere af nogle af de virksomheder, der skubber kuverten om dette emne, herunder D-Wave og IBM.

Bryan Jacobs, en konsulent hos Berberian & Company, der tilbyder rådgivning om kvanteberegning, forklarede, at i al den elektronik, vi bruger i dag, gemmes information gennem opladningen af ​​et elektron, der enten er tændt eller slukket; med andre ord lidt. Men hvis du koder informationen i en kvantetilstand, som et enkelt elektron eller et foton, kan du kortlægge det til et nul og et, ligesom en almindelig klassisk bit, men også en superposition, hvor det kan være nul og en samtidig. Han forklarede, at den interessante opfattelse er, at hvis du har en kvantecomputer, der har et stort antal af disse kvantebits - ofte kaldet qubits - kan du starte det i en superposition af alle mulige input på samme tid, og derefter, hvis du kan behandle information på en kvante kohærent måde, i en eller anden forstand kan du beregne den samme funktion på alle mulige input samtidig. Det er kendt som kvanteparallalisme. Han bemærkede, at der er et par forskellige tilgange, som folk forsøger i dag - den ene er gate-baseret, der ligner mere traditionelle digitale computere, og den anden er på lignende måde beslægtet med en analog proces, kendt som kvanteglødning.

Vern Brownell, administrerende direktør for D-Wave Systems, der faktisk har leveret et par maskiner, der bruger kvanteudglødning, sagde, at hans firma valgte at bruge denne tilgang først "fordi vi troede, at det ville give os kapacitet hurtigere end nogen anden type kvante computerimplementering. " Han sagde, at D-Wave også kiggede på andre modeller for kvanteberegning, men at denne tilgang var den mest pragmatiske.

Han forklarede, at han effektivt har en kvantealealer med tusind qubits, som er i stand til at udforske et svarrum mellem to-til-antallet af qubits forskellige muligheder. Dette fungerer hovedsageligt på komplekse optimeringsproblemer og ser ud til at finde den laveste energi eller det bedste svar til det optimeringsproblem. Brownell bemærkede, at Google nu har opgraderet en tidligere købt maskine til sit kvante kunstigt intelligenslaboratorium for at undersøge, hvordan dette kan hjælpe med maskinlæring. En anden kunde er Lockheed, der ser på et problem, der kaldes softwareverificering og validering.

Brownell erkendte, at ingen af ​​disse eksempler virkelig er gået i produktion endnu, men sagde, at de har kørt rigtige applikationer, der løser reelle problemer i skala. Med andre ord har de endnu ikke ramt det punkt, hvor D-Wave-maskinen overgår de klassiske supercomputere, men han sagde "vi er meget tæt på det." I de næste par måneder viser virksomheden "at en kvantecomputer kan overgå det bedste af, hvad klassisk computing kan gøre. Vi er på det hængselspunkt lige nu."

Mark Ritter, fremtrædende forskningsmedarbejder og senior manager i fysisk-videnskabsafdelingen ved IBM TJ Watson Research Center, forklarede, at hans team udfører en række forskellige kvanteprojekter, men har fokuseret sit arbejde på gatebaseret kvanteberegning og fejlkorrektion.

En af teoretikerne på sit hold, Sergey Bravyi, opfandt "en topologisk paritetskode." Han forklarede, at vi også bruger fejlkorrektionskoder i traditionelle computere, men at kvanteoplysninger er meget skrøbelige, så for at oprette et gate-baseret system skal du bruge en kode for at beskytte den skrøbelige kvanteinformation. Hans team skabte et 4-qubit system, med qubits kaldet "transmoner", der kan bevare noget af kvanteinformationen i en længere periode og med fejlkorrektionskoden kan skabe gate-baseret kvante computing. Han sagde, at dette er som et firkantet gitter, hvor qubits er i toppunktet på grafpapir; en algoritme overlejrer derefter denne kode over qubits. IBM's mål er at være i stand til at tilføje flere og flere qubits til den algoritme. Han sagde snart, at det muligvis kan bevare kvantetilstanden på ubestemt tid.

Han bemærkede, hvordan kvanteporte bruger sammenfiltring på tværs af alle qubits og ser på alle de potentielle tilstande og sammenlignede dette med interferensmønsteret, du ser, når du slipper en masse sten i en dam og får konstruktiv og destruktiv interferens. Det bedste svar vil blandes konstruktivt, sagde han, og dette svar vil være det eneste svar, du ender med, hvis der er et enkelt svar på problemet. I en gatebaseret kvantecomputer, sagde han, kan du bruge interferensen i denne kodning for at få et svar i slutningen af ​​processen, og at dette skal eksponentielt fremskyndes for visse algoritmer.

Selvom dette stadig kan være en vej væk, sagde Ritter, at folk også overvejer at bruge qubits til at køre analoge simuleringer med høj kohærens, såsom at simulere forskellige molekyler. Jacobs var enige om kvantesimulering og talte om kemiske simuleringer af stabile molekyler for at finde lægemidler.

Jeg spurgte om Shors algoritme, som antyder, at du med en kvantecomputer kunne ødelægge meget af konventionel kryptografi. Jacobs brugte analogien fra et raketskib, der forsøgte at sende astronauter til månen. Jacobs sagde, at algoritmen, der udfører det problem, vi forsøger at løse, såsom Shors algoritme, svarer til kommandomodulet til raketskibet, og at fejlkorrektionen - som hvad Ritters team arbejder på - er som etaper af raketten. Men, sagde han, de typer brændstof- eller raketmotormotorer, vi har lige nu, er ikke tilstrækkelige til nogen størrelse raketskib. Han sagde, at det er et meget vanskeligt spørgsmål, og at alt det omkostning, der er forbundet med at udføre kvanteberegninger og fejlkorrektion, betyder, at mange af de algoritmer, der ser virkelig lovende ud i dag, måske ikke panorererer. Brownell sagde, at han troede, at vi har et årti eller mere, før kvantecomputere kunne bryde RSA-kryptering, og vi bliver nødt til at gå over til kryptografi efter kvantet.

Brownell understregede, at gate-modellen til kvanteberegning er meget forskellig fra kvanteudglødning, og talte om, hvor nyttig den er, når man løser visse optimeringsproblemer i dag. Han sagde også, at det næsten kan løse problemer, der er uden for klassiske computers rækkevidde. På nogle benchmarks, bemærkede han, har Google fundet, at D-Wave-maskinen kunne løse problemer et eller andet sted i størrelsesordenen 30-100.000x hurtigere, end en generel algoritme kunne i dag. Selvom dette ikke var en nyttig algoritme, sagde han, at hans team fokuserer på algoritmer for faktisk brug, der kan drage fordel af denne kapacitet, da dens processor skalerer i ydeevne hver 12-18 måned.

Brownell sammenlignede kvanteberegning i dag med Intel i 1974, da det kom ud med den første mikroprocessor. Han var hos Digital Equipment Corp. på det tidspunkt og sagde, at vi på det tidspunkt "ikke var specielt bekymrede over Intel, fordi de havde disse billige små mikroprocessorer, der intet var nær så magtfulde som disse store kasser og ting, som vi havde. Men inden for et tidsrum af ti år, ved du, er forretningen helt væk og Digital gik ud af drift. " Han sagde, at selvom han ikke troede, at kvantecomputering ville true hele den klassiske computerverden, forventer han at se disse trinvise forbedringer i processorer hver 18. måned, til et punkt, hvor det vil være en kapacitet, der vil være nødvendig for IT-ledere og udviklere til brug.

Især sagde han, at D-Wave har co-udviklet probabilistiske læringsalgoritmer, nogle af dem i det dybe læringsrum, der kan gøre et bedre stykke arbejde med at genkende ting og i træning end der kan gøres uden kvanteberegning. Til sidst ser han dette som en ressource i skyen, der vil blive brugt meget i kompliment med klassiske computere.

Ritter sagde, at det var svært at virkelig sammenligne nogen af ​​kvantemetoderne med klassiske maskiner, der udfører almindelig beregning, fordi folk laver acceleratorer og bruger GPU'er og FPGA'er designet til specifikke opgaver. Han sagde, at hvis du rent faktisk designet et ASIC, der var specifikt til at løse dit problem, burde reel kvanteberegning med reel acceleration slå nogen af ​​dem, fordi hver qubit, du tilføjer, fordobler konfigurationsområdet. Med andre ord, at sætte tusind qubits sammen skulle øge rummet med en styrke på 2 x 1000, hvilket han bemærkede er mere end antallet af atomer i universet. Og, sagde han, med en gate-baseret computer, er problemet, at portene fungerer langsommere end din mobiltelefon, så du har flere operationer, der sker på én gang, men hver operation er langsommere end på en klassisk computer. "Derfor er du nødt til at lave en større maskine, før du ser denne crossover, " sagde han.

Jacobs påpegede, hvor meget mere effektiv kvanteberegning kunne være. "Hvis du ser på den magt, det kræver ved hjælp af de bedste supergrønne supercomputere i verden, hvis du ville gøre omkring en 65 qubit simulering, ville det kræve omkring et atomkraftværk, " sagde han, "og så hvis du ville for at gøre 66 ville det kræve to atomkraftværker."

Brownell sagde, at med mere end 1.000 qubits kunne den nuværende D-Wave-maskine teoretisk håndtere modeller på op til 2 til 1000, svarende til 10 til 300. (Til sammenligning, sagde han, vurderer forskere, at der kun er ca. 10 til de 80. atomer i universet.) Så han siger, at grænserne i ydeevne på computeren ikke skyldes begrænsninger i kvanteudglødning, men snarere af begrænsning i I / O-funktioner, et teknisk problem, der behandles i hver ny generation. På nogle af benchmark-algoritmerne bør virksomhedens 1152-qubit-maskine være 600 gange mere kraftfuld end det bedste af, hvad klassiske computere kan gøre, hævder han.

D-Wave's arkitektur, der bruger en matrix af qubits med koblinger, der på nogle måder ligner et neuralt netværk, har haft en første anvendelse på dyb læring af neurale netværk i maskinlæring.

Men han talte også om andre applikationer, såsom at køre ækvivalenten med Monte Carlo-simuleringer, som han plejede at gøre hos Goldman Sachs (hvor han var CIO) til beregninger af værdi-risiko. Han huskede, at dette tog omkring en million kerner og måtte løbe natten over. Teoretisk set kunne en kvantecomputer gøre lignende ting med meget mindre energi. Han sagde, at D-Wave-maskinen bruger meget lidt, men har brug for at køre i et stort køleskab, der opretholder en meget lave temperaturer (ca. 8 milikelvin), men at selve maskinen kun tager ca. 15-20 kW at køre, hvilket er ganske lille til et datacenter.

Ritter nævnte en lignende idé til den gate-baserede model og diskuterede kvantemetropolprøvetagning, som han sagde svarer til kvantet Monte Carlo, men med forskellige statistikker på grund af sammenfiltringsegenskaberne.

Ritters team arbejder på kvanteanalogisk simulering, hvor det kan beregne og kortlægge et molekylært design til en forbindelse af qubits og få det til at løse de ideelle tilstande og al opførsel af et molekyle, som han sagde er meget hårdt, når du får omkring 50 elektroner.

Jacobs diskuterede kvantekryptografi, som involverer en nøgle, der genereres på en måde, der kan bevise, at ingen lyttede på transmissionen. Ritter sagde, at IBMs Charlie Bennett teoretiserede en teknik til at "teleportere" qubit på linket til en anden qubit i maskinen, men sagde, at han mener, at sådanne teknikker er mere end et par år ude.

Jacobs påpegede forskellene mellem quantum gate computing og quantum annealing, især inden for fejlkorrektion, og bemærkede, at der er en anden metode såvel som topologisk kvanteberegning, som Microsoft arbejder på.

En interessant udfordring er at skrive applikationer til sådanne maskiner, som Ritter beskrev som at sende toner i en bestemt frekvens, der får de forskellige qubits til at resonere og interagere med hinanden i tide, hvilket får beregningen til at forekomme "næsten som en musikalsk score." Han bemærkede, at der er sprog på højere niveau, men at meget arbejde stadig kræver en teoretiker. Jacobs bemærkede, at der er forskellige niveauer af open source-kvantesprog som QASM og Quipper, som begge fokuserer stort set på kvanteportmodellen. Brownell bemærkede, at der ikke har været så meget aktivitet med kvanteudglødning, fordi det var mere kontroversielt indtil for nylig, og sagde, at D-Wave har været nødt til at udføre en masse af det arbejde selv, og arbejder på at flytte sprog til højere niveauer. Inden for fem år håber han, at det vil være lige så let at bruge som en GPU eller en anden form for klassisk ressource.