Video: Röka - Jobbigt (September 2024)
Kvantberäkning - idén att arbeta med datorer som visar kvantegenskaper, som att kunna hålla flera tillstånd samtidigt - har diskuterats under lång tid, men verkar nu närma sig verkligheten med några stora framsteg. Vid förra veckans teknikkonferens hade jag möjlighet att vara värd för en panel i ämnet med ledare för några av de företag som driver kuvertet i detta ämne, inklusive D-Wave och IBM.
Bryan Jacobs, en konsult på Berberian & Company, som erbjuder råd om kvantberäkning, förklarade att i all elektronik vi använder idag lagras information genom laddningen av en elektron som är antingen på eller av; med andra ord lite. Men om du kodar informationen i ett kvanttillstånd, som en enda elektron eller en foton, kan du kartlägga den till en noll och en, precis som en vanlig klassisk bit, men också en superposition, där den kan vara noll och en samtidigt. Han förklarade att den intressanta uppfattningen är att om du har en kvantdator som har ett stort antal av dessa kvantbitar - ofta kallad qubits - kan du starta den i en superposition av alla möjliga ingångar samtidigt, och sedan, om du kan bearbeta information på ett kvant koherent sätt, i någon mening kan du beräkna samma funktion på alla möjliga ingångar samtidigt. Det är känt som kvantparallellism. Han konstaterade att det finns ett par olika tillvägagångssätt som människor försöker idag - den ena är gate-baserad, vilket är mer som traditionella digitala datorer, och den andra är liknar en analog process, känd som kvantglödgning.
Vern Brownell, VD för D-Wave Systems, som faktiskt har levererat några maskiner som använder kvantglödgning, sa att hans företag valde att använda den strategin först "eftersom vi trodde att det skulle ge oss kapacitet snabbare än någon annan typ av kvantitet datorimplementering. " Han sa att D-Wave också tittade på andra modeller för kvantberäkning, men denna metod var den mest pragmatiska.
Han förklarade att han effektivt har en kvantglödgare med tusen qubits, som har möjlighet att utforska ett svarsutrymme på två till antalet qubits olika möjligheter. I huvudsak fungerar detta på komplexa optimeringsproblem och ser ut för att hitta den lägsta energin eller det bästa svaret för det optimeringsproblemet. Brownell noterade att Google nu har uppgraderat en tidigare köpd maskin för sitt kvantitetslaboratorium för artificiell intelligens och undersökt hur detta kan hjälpa till maskininlärning. En annan kund är Lockheed, som tittar på ett problem som kallas programvaruverifiering och validering.
Brownell erkände att inget av dessa exempel verkligen har gått till produktion ännu, men sa att de har kört verkliga applikationer som löser verkliga problem i skala. Med andra ord har de ännu inte träffat den punkt där D-Wave-maskinen överträffar klassiska superdatorer, men han sa "vi är väldigt nära det." De närmaste månaderna kommer företaget att visa "att en kvantdator kan överträffa det bästa av vad klassisk dator kan göra. Vi är på den gångjärnpunkten just nu."
Mark Ritter, utmärkt forskningspersonal och senior manager i avdelningen för fysisk vetenskap vid IBM TJ Watson Research Center, förklarade att hans team gör ett antal olika kvantprojekt, men har fokuserat sitt arbete på gate-baserad kvantberäkning och felkorrigering.
En av teoretikerna i hans team, Sergey Bravyi, uppfann "en topologisk paritetskod." Han förklarade att vi också använder felkorrigeringskoder i traditionella datorer, men att kvantinformation är mycket ömtålig, så för att skapa ett gate-baserat system behöver du en kod för att skydda den bräckliga kvantinformationen. Hans team skapade ett 4-qubit system, med qubits som kallas "transmoner" som kan behålla en del av kvantinformationen under en längre period och med felkorrigeringskoden kan skapa gate-baserad kvantberäkning. Han sa att detta är som ett fyrkantigt gitter där qubitsna är i topparna på grafpapper; en algoritm överlägger sedan denna kod över qubitsna. IBMs mål är att kunna lägga till fler och fler qubits till den algoritmen. Han sa snart att det kanske kan bevara kvanttillståndet på obestämd tid.
Han noterade hur kvantgrindar använder intrassling över alla kvittor och tittar på alla potentiella tillstånd och jämför detta med interferensmönstret du ser när du släpper en hel del stenar i ett damm och får konstruktiv och destruktiv interferens. Det bästa svaret kommer att bli konstruktivt störde, sa han, och det här svaret kommer att vara det enda svaret du hamnar på, om det finns ett enda svar på problemet. I en gate-baserad kvantdator, sa han, kan du använda störningen i den här kodningen för att få ett svar i slutet av processen, och att detta borde exponeras snabbt för vissa algoritmer.
Även om detta fortfarande kan vara en väg bort, sa Ritter att människor också funderar på att använda qubits för att köra analoga simuleringar med hög koherens, till exempel att simulera olika molekyler. Jacobs enades om kvantesimulering och pratade om kemiska simuleringar av stabila molekyler för att hitta läkemedel.
Jag frågade om Shors algoritm, som antyder att du med en kvantdator skulle kunna bryta mycket av konventionell kryptografi. Jacobs använde analogin av ett raketfartyg som försökte skicka astronauter till månen. Jacobs sa att algoritmen som kör problemet vi försöker lösa, till exempel Shors algoritm, liknar kommandomodulen för raketfartyget, och att felkorrigeringen - som vad Ritters team arbetar med - är som stadierna av raketten. Men, sade han, de typer av bränsle- eller raketmotormotorer som vi har just nu räcker inte för någon storlek raketfartyg. Han sa att det är en väldigt knepig fråga, och att all den omkostnad som är förknippad med att göra kvantberäkningar och felkorrigering innebär att många av de algoritmer som verkligen lovar idag kanske inte går ut. Brownell sa att han trodde att vi har ett decennium eller mer innan kvantdatorer kunde bryta RSA-kryptering och vi måste gå över till post-kvantkryptografi.
Brownell betonade att gate-modellen för kvantberäkning skiljer sig mycket från kvantglödgning och talade om hur användbar den är när man löser vissa optimeringsproblem idag. Han sa också att det nästan kan lösa problem som är utom räckhåll för klassiska datorer. På vissa riktmärken, konstaterade han, har Google funnit att D-Wave-maskinen kan lösa problem någonstans i storleksordningen 30-100 000x snabbare än en allmän algoritm kunde idag. Även om detta inte var en användbar algoritm, sade han att hans team fokuserar på faktiska användningsfallalgoritmer som kan dra nytta av denna kapacitet eftersom processorn skalar i prestanda var 12-18 månad.
Brownell jämförde kvantberäkningen idag med Intel 1974 när den kom ut med den första mikroprocessorn. Han var hos Digital Equipment Corp. på den punkten och sa att vi "inte var särskilt oroliga för Intel, för de hade dessa billiga små mikroprocessorer som inte var så nära som kraftfulla som dessa stora lådor och grejer som vi hade. Men inom tio år, vet du, affärer var helt borta och Digital gick ut. " Han sa att även om han inte trodde att kvantberäkning skulle hota hela den klassiska datorvärlden, förväntar han sig att se dessa stegvisa förbättringar i processorer var 18: e månad, till en punkt där det kommer att bli en förmåga som kommer att vara nödvändig för IT-chefer och utvecklare att använda.
I synnerhet, sade han, har D-Wave samutvecklat probabilistiska inlärningsalgoritmer, några av dem i det djupa inlärningsutrymmet, som kan göra ett bättre jobb med att känna igen saker och utbildning än vad som kan göras utan kvantberäkning. Så småningom ser han detta som en resurs i molnet som kommer att användas mycket i kompliment med klassiska datorer.
Ritter sa att det var svårt att verkligen jämföra någon av kvantmetoderna mot klassiska maskiner som utför allmän datoranvändning, eftersom människor gör acceleratorer och använder GPU: er och FPGA: er utformade för specifika uppgifter. Han sa att om du faktiskt utformade ett ASIC som var specifikt för att lösa ditt problem, skulle verklig kvantberäkning med verklig acceleration slå någon av dem, eftersom varje qubit du lägger till fördubblar det konfigurationsutrymmet. Med andra ord, att sätta ihop tusen bitar skulle öka utrymmet med 2 x 1000 kraft, vilket han noterade är mer än antalet atomer i universum. Och, sa han, med en gate-baserad dator, är problemet att grindarna fungerar långsammare än din mobiltelefon, så att du har fler funktioner som sker på en gång, men varje operation är långsammare än på en klassisk dator. "Det är därför du måste göra en större maskin innan du ser denna crossover, " sade han.
Jacobs påpekade hur mycket mer effektiv kvantberäkning kunde vara. "Om du tittar på kraften som krävs för att använda de bästa supergröna superdatorerna i världen, om du ville göra om en 65 kbit simulering, skulle det kräva ungefär ett kärnkraftverk, " sa han, "och sedan om du ville för att göra 66 skulle det krävas två kärnkraftverk."
Brownell sa att med mer än 1 000 qubits kunde den nuvarande D-Wave-maskinen teoretiskt hantera modeller upp till 2 till 1000: e, vilket motsvarar 10 till 300: e. (Som jämförelse, sade han, forskare uppskattar att det bara finns cirka 10 till de 80: e atomerna i universum.) Så han säger att gränserna i prestanda på datorn inte beror på begränsningar i kvantglödgningen, utan snarare på begränsningen i I / O-funktioner, en teknisk fråga som tas upp i varje ny generation. På några av referensalgoritmerna bör företagets 1152-qubit-maskin vara 600 gånger kraftigare än det bästa av vad klassiska datorer kan göra, hävdar han.
D-Waves arkitektur, som använder en matris av qubits med kopplingar som på vissa sätt liknar ett neuralt nätverk, har använts initialt på djupinlärande neurala nätverk i maskininlärning.
Men han talade också om andra applikationer, som att köra motsvarigheten till Monte Carlo-simuleringar, som han brukade göra på Goldman Sachs (där han var CIO) för beräkningar av värderisker. Han kom ihåg att han tog ungefär en miljon kärnor och fick springa över natten. Teoretiskt kan en kvantdator göra liknande saker med mycket mindre energi. Han sa att D-Wave-maskinen använder mycket lite, men måste köra i ett stort kylskåp som upprätthåller mycket låga temperaturer (cirka 8 milikelvin), men att själva maskinen endast tar cirka 15-20 kW att köra, vilket är ganska litet för ett datacenter.
Ritter nämnde en liknande idé för den gate-baserade modellen och diskuterade kvantmetropolprovtagning som han sade motsvarar kvantet Monte Carlo, men med annan statistik på grund av intrasslingsegenskaperna.
Ritters team arbetar med kvantanalog simulering, där det kan beräkna och kartlägga en molekylär design i en anslutning av qubits och få det att lösa de ideala lägena och alla beteenden hos en molekyl, som han sade är väldigt svårt när du får cirka 50 elektroner.
Jacobs diskuterade kvantkryptografi, som involverar en nyckel som genereras på ett sätt som kan bevisa att ingen lyssnade på sändningen. Ritter sa att IBMs Charlie Bennett teoretiserade en teknik för att "teleportera" qubitten på länken till en annan qubit i maskinen, men sade att han tror att sådana tekniker är mer än några år ut.
Jacobs påpekade skillnaderna mellan beräkningar av kvantportar och kvantglödgning, särskilt när det gäller felkorrigering, och noterade att det finns en annan metod såväl som topologisk kvantberäkning som Microsoft arbetar med.
En intressant utmaning är att skriva applikationer för sådana maskiner, som Ritter beskrev som att skicka toner i en specifik frekvens som får de olika qubits att resonera och interagera med varandra i tid, vilket får beräkningen att ske "nästan som en musikalisk poäng." Han noterade att det finns språk på högre nivå, men att mycket arbete fortfarande kräver en teoretiker. Jacobs konstaterade att det finns olika nivåer av öppen källkursspråk som QASM och Quipper, båda fokuserade till stor del på kvantportmodellen. Brownell konstaterade att det inte har varit så mycket aktivitet på kvantglödgning, eftersom det var mer kontroversiellt tills nyligen, och sade D-Wave har varit tvungen att göra mycket av det arbetet själv och arbetar med att flytta språk till högre nivåer. Inom fem år hoppas han att det blir lika lätt att använda som en GPU eller någon annan klassisk resurs.
