Προγραμματισμός

Τι είναι η κβαντική υπολογιστική; Λύσεις σε αδύνατα προβλήματα

Δεν υπάρχει έλλειψη διαφημιστικής εκστρατείας στη βιομηχανία υπολογιστών, αν και ακόμη και πρέπει να παραδεχτώ ότι μερικές φορές η τεχνολογία ανταποκρίνεται στις υποσχέσεις. Η μηχανική μάθηση είναι ένα καλό παράδειγμα. Η μηχανική εκμάθηση έχει υποβληθεί από τη δεκαετία του 1950 και τελικά έγινε γενικά χρήσιμη την τελευταία δεκαετία.

Η κβαντική πληροφορική προτάθηκε τη δεκαετία του 1980, αλλά εξακολουθεί να μην είναι πρακτική, αν και αυτό δεν μείωσε τη διαφημιστική εκστρατεία. Υπάρχουν πειραματικοί κβαντικοί υπολογιστές σε μικρό αριθμό ερευνητικών εργαστηρίων και μερικοί εμπορικοί κβαντικοί υπολογιστές και κβαντικοί προσομοιωτές που παράγονται από την IBM και άλλους, αλλά ακόμη και οι εμπορικοί κβαντικοί υπολογιστές εξακολουθούν να έχουν χαμηλό αριθμό qubits (το οποίο θα εξηγήσω στην επόμενη ενότητα) ), υψηλά ποσοστά αποσύνθεσης και σημαντικές ποσότητες θορύβου.

Η κβαντική υπολογιστική εξήγησε

Η πιο ξεκάθαρη εξήγηση της κβαντικής πληροφορικής που βρήκα βρίσκεται σε αυτό το βίντεο από την Dr. Talia Gershon της IBM. Στο βίντεο, ο Gershon εξηγεί την κβαντική πληροφορική σε ένα παιδί, έναν έφηβο, έναν φοιτητή και έναν μεταπτυχιακό φοιτητή και στη συνέχεια συζητά τους μύθους και τις προκλήσεις της κβαντικής υπολογιστικής με τον καθηγητή Steve Girvin από το Πανεπιστήμιο του Yale.

Για το παιδί, κάνει την αναλογία μεταξύ κομμάτια και πένες. Τα κλασικά κομμάτια είναι δυαδικά, όπως πένες που βρίσκονται στο τραπέζι, με κεφαλές ή ουρές. Κβαντικά κομμάτια (qubits) είναι σαν πένες που περιστρέφονται στο τραπέζι, τα οποία τελικά θα μπορούσαν να καταρρεύσουν σε καταστάσεις που είναι είτε κεφαλές είτε ουρές.

Στον έφηβο, χρησιμοποιεί την ίδια αναλογία, αλλά προσθέτει τη λέξη προσθήκη για να περιγράψουμε τις καταστάσεις μιας περιστρεφόμενης πένας Η υπέρθεση των καταστάσεων είναι μια κβαντική ιδιότητα, που εμφανίζεται συνήθως σε στοιχειώδη σωματίδια και στα σύννεφα ηλεκτρονίων ατόμων. Στη δημοφιλή επιστήμη, η συνήθης αναλογία είναι το σκεπτικό πείραμα της γάτας του Schrödinger, το οποίο υπάρχει στο κουτί του σε μια υπέρθετη κβαντική κατάσταση τόσο ζωντανών όσο και νεκρών, έως ότου το κουτί είναι ανοιχτό και παρατηρείται ότι είναι το ένα ή το άλλο.

Ο Gershon συνεχίζει να συζητά για το κβαντικό μπλέξιμο με τον έφηβο. Αυτό σημαίνει ότι οι καταστάσεις δύο ή περισσοτέρων εμπλεγμένων κβαντικών αντικειμένων είναι συνδεδεμένες, ακόμη και αν διαχωρίζονται.

Παρεμπιπτόντως, ο Αϊνστάιν μισούσε αυτήν την ιδέα, την οποία απέρριψε ως «τρομακτική δράση από απόσταση», αλλά το φαινόμενο είναι πραγματικό και παρατηρήσιμο πειραματικά και πρόσφατα έχει φωτογραφηθεί. Ακόμα καλύτερα, το φως που εμπλέκεται με κβαντικές πληροφορίες έχει σταλεί σε οπτική ίνα 50 χιλιομέτρων.

Τέλος, η Gershon δείχνει το κβαντικό πρωτότυπο υπολογιστή της IBM με το ψυγείο αραίωσης και συζητά πιθανές εφαρμογές κβαντικών υπολογιστών, όπως η μοντελοποίηση χημικών δεσμών.

Με τον φοιτητή, ο Gershon πηγαίνει σε περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τον κβαντικό υπολογιστή, το κβαντικό τσιπ και το ψυγείο αραίωσης που μειώνει τη θερμοκρασία του τσιπ στα 10 mK (milliKelvin). Ο Gershon εξηγεί επίσης την κβαντική εμπλοκή με περισσότερες λεπτομέρειες, μαζί με την κβαντική υπέρθεση και τις παρεμβολές. Η εποικοδομητική κβαντική παρεμβολή χρησιμοποιείται σε κβαντικούς υπολογιστές για την ενίσχυση σημάτων που οδηγούν στη σωστή απάντηση και η καταστροφική κβαντική παρεμβολή χρησιμοποιείται για την ακύρωση σημάτων που οδηγούν σε λάθος απάντηση. Η IBM παράγει qubits από υπεραγώγιμα υλικά.

Με τον μαθητή, ο Gershon συζητά τη δυνατότητα χρήσης κβαντικών υπολογιστών για την επιτάχυνση βασικών τμημάτων της εκπαίδευσης μοντέλων βαθιάς μάθησης. Εξηγεί επίσης πώς η IBM χρησιμοποιεί βαθμονομημένους παλμούς μικροκυμάτων για χειρισμό και μέτρηση της κβαντικής κατάστασης (τα qubits) του τσιπ υπολογιστών.

Οι κύριοι αλγόριθμοι για τον κβαντικό υπολογισμό (συζητούνται παρακάτω), οι οποίοι αναπτύχθηκαν πριν ακόμη αποδειχθεί ακόμη και ένα qubit, ανέλαβαν τη διαθεσιμότητα εκατομμυρίων τέλειων, ανεκτικών σφαλμάτων, διορθωμένων σφαλμάτων qubits. Αυτήν τη στιγμή έχουμε υπολογιστές με 50 qubit, και δεν είναι τέλειοι. Νέοι αλγόριθμοι υπό ανάπτυξη προορίζονται να λειτουργήσουν με τον περιορισμένο αριθμό θορυβωδών qubit που έχουμε τώρα.

Ο Steve Girvin, ένας θεωρητικός φυσικός από το Yale, λέει στον Gershon για τη δουλειά του σε κβαντικούς υπολογιστές ανεκτούς σε σφάλματα, οι οποίοι δεν υπάρχουν ακόμη. Οι δυο τους συζητούν την απογοήτευση της κβαντικής αποκωδικοποίησης - «Μπορείτε να κρατήσετε τις πληροφορίες σας κβαντικές μόνο για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα» - και την ουσιαστική ευαισθησία των κβαντικών υπολογιστών στον θόρυβο από την απλή πράξη που παρατηρείται. Πήραν ένα μύθο ότι σε πέντε χρόνια οι κβαντικοί υπολογιστές θα λύσουν την κλιματική αλλαγή, τον καρκίνο και. Girvin: «Αυτή τη στιγμή βρισκόμαστε στο σωλήνα κενού ή στο τρανζίστορ του κβαντικού υπολογισμού και αγωνιζόμαστε να εφεύρουμε κβαντικά ολοκληρωμένα κυκλώματα.»

Κβαντικοί αλγόριθμοι

Όπως ανέφερε η Gershon στο βίντεό της, οι παλαιότεροι κβαντικοί αλγόριθμοι υποθέτουν εκατομμύρια τέλεια, ανεκτά σε σφάλματα, διορθωμένα λάθη qubits, τα οποία δεν είναι ακόμη διαθέσιμα. Ωστόσο, αξίζει να συζητήσουμε δύο από αυτούς για να κατανοήσουμε την υπόσχεσή τους και ποια αντίμετρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία από τη χρήση τους σε κρυπτογραφικές επιθέσεις.

Ο αλγόριθμος του Grover

Ο αλγόριθμος του Grover, που επινοήθηκε από τον Lov Grover το 1996, βρίσκει το αντίστροφο μιας συνάρτησης στα βήματα O (√N). Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για αναζήτηση σε μια λίστα χωρίς ταξινόμηση. Παρέχει μια τετραγωνική επιτάχυνση έναντι των κλασικών μεθόδων, οι οποίες χρειάζονται βήματα O (N).

Άλλες εφαρμογές του αλγορίθμου του Grover περιλαμβάνουν την εκτίμηση του μέσου όρου και του μέσου όρου ενός συνόλου αριθμών, την επίλυση του προβλήματος σύγκρουσης και τις λειτουργίες κρυπτογραφικής κατακερματισμού αντίστροφης μηχανικής. Λόγω της κρυπτογραφικής εφαρμογής, οι ερευνητές μερικές φορές προτείνουν να διπλασιαστούν τα συμμετρικά πλήκτρα για να προστατευθούν από μελλοντικές κβαντικές επιθέσεις.

Ο αλγόριθμος του Shor

Ο αλγόριθμος του Shor, που επινοήθηκε από τον Peter Shor το 1994, βρίσκει τους πρωταρχικούς παράγοντες ενός ακέραιου. Τρέχει σε πολυώνυμο χρόνο στο αρχείο καταγραφής (N), καθιστώντας το εκθετικά ταχύτερο από το κλασικό κόσκινο πεδίου γενικού αριθμού. Αυτή η εκθετική επιτάχυνση υπόσχεται να σπάσει τα σχήματα κρυπτογράφησης δημόσιου κλειδιού, όπως το RSA, εάν υπήρχαν κβαντικοί υπολογιστές με «αρκετά» qubits (ο ακριβής αριθμός θα εξαρτάται από το μέγεθος του ακέραιου που λαμβάνεται υπόψη) ελλείψει κβαντικού θορύβου και άλλου κβαντικού - φαινόμενα αποσυμφωνίας.

Εάν οι κβαντικοί υπολογιστές γίνουν ποτέ αρκετά μεγάλοι και αξιόπιστοι για να εκτελέσουν επιτυχώς τον αλγόριθμο του Shor ενάντια στο είδος των μεγάλων ακέραιων που χρησιμοποιούνται στην κρυπτογράφηση RSA, τότε θα χρειαζόμασταν νέα κρυπτοσυστήματα «μετα-κβαντικά» που δεν εξαρτώνται από τη δυσκολία της πρωταρχικής παραγοντοποίησης.

Κβαντική προσομοίωση υπολογιστών στο Atos

Η Atos δημιουργεί έναν κβαντικό προσομοιωτή, την Quantum Learning Machine, η οποία λειτουργεί σαν να έχει 30 έως 40 qubits. Το πακέτο υλικού / λογισμικού περιλαμβάνει μια κβαντική γλώσσα προγραμματισμού συναρμολόγησης και μια υβριδική γλώσσα υψηλού επιπέδου που βασίζεται σε Python. Η συσκευή χρησιμοποιείται σε μερικά εθνικά εργαστήρια και τεχνικά πανεπιστήμια.

Κβαντική ανόπτηση στο D-Wave

Το D-Wave κάνει συστήματα κβαντικής ανόπτησης όπως το DW-2000Q, τα οποία είναι λίγο διαφορετικά και λιγότερο χρήσιμα από τους κβαντικούς υπολογιστές γενικής χρήσης. Η διαδικασία ανόπτησης κάνει βελτιστοποίηση με τρόπο παρόμοιο με τον αλγόριθμο στοχαστικής κλίσης κλίσης (SGD) που είναι δημοφιλής για την εκπαίδευση νευρωνικών δικτύων βαθιάς μάθησης, εκτός από το ότι επιτρέπει πολλά ταυτόχρονα σημεία εκκίνησης και κβαντική σήραγγα μέσω τοπικών λόφων. Οι υπολογιστές D-Wave δεν μπορούν να εκτελέσουν κβαντικά προγράμματα όπως ο αλγόριθμος του Shor.

Η D-Wave ισχυρίζεται ότι το σύστημα DW-2000Q έχει έως 2.048 qubits και 6.016 ζεύγη. Για να φτάσει σε αυτήν την κλίμακα, χρησιμοποιεί 128.000 συνδέσμους Josephson σε ένα υπεραγωγό τσιπ κβαντικής επεξεργασίας, που ψύχεται σε λιγότερο από 15 mK από ψυγείο αραίωσης ηλίου. Το πακέτο D-Wave περιλαμβάνει μια σειρά εργαλείων Python ανοιχτού κώδικα που φιλοξενούνται στο GitHub. Το DW-2000Q χρησιμοποιείται σε μερικά εθνικά εργαστήρια, εργολάβους άμυνας και παγκόσμιες επιχειρήσεις.

Κβαντικός υπολογιστής στο Google AI

Το Google AI πραγματοποιεί έρευνα σχετικά με την υπεραγωγική qubits με επεκτάσιμη αρχιτεκτονική βασισμένη σε chip που στοχεύει σφάλμα πύλης δύο qubit <0,5%, σε κβαντικούς αλγορίθμους για μοντελοποίηση συστημάτων αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων με εφαρμογές στη χημεία και την επιστήμη υλικών, σε υβριδικούς κβαντικούς κλασικούς διαλύτες για κατά προσέγγιση βελτιστοποίηση , σε ένα πλαίσιο για την εφαρμογή ενός κβαντικού νευρικού δικτύου σε βραχυπρόθεσμους επεξεργαστές και στην κβαντική υπεροχή.

Το 2018 η Google ανακοίνωσε τη δημιουργία ενός chip υπεραγωγών 72-qubit που ονομάζεται Bristlecone. Κάθε qubit μπορεί να συνδεθεί με τέσσερις πλησιέστερους γείτονες στο 2D πίνακα. Σύμφωνα με τον Hartmut Neven, διευθυντή του εργαστηρίου Quantum Artificial Intelligence της Google, η ισχύς των κβαντικών υπολογιστών αυξάνεται σε διπλή εκθετική καμπύλη, με βάση τον αριθμό των συμβατικών CPU που χρειάζεται το εργαστήριο για να αναπαράγει αποτελέσματα από τους κβαντικούς υπολογιστές τους.

Στα τέλη του 2019, η Google ανακοίνωσε ότι είχε επιτύχει την κβαντική υπεροχή, την προϋπόθεση όπου οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να λύσουν προβλήματα που είναι δυσδιάκριτα σε κλασικούς υπολογιστές, χρησιμοποιώντας έναν νέο επεξεργαστή 54-qubit που ονομάζεται Sycamore. Η ομάδα του Google AI Quantum δημοσίευσε τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος κβαντικής υπεροχής στο Φύση άρθρο, "Κβαντική υπεροχή χρησιμοποιώντας έναν προγραμματιζόμενο υπεραγωγό επεξεργαστή."

Κβαντικός υπολογισμός στην IBM

Στο βίντεο που ανέφερα νωρίτερα, ο Δρ Gershon αναφέρει ότι «Υπάρχουν τρεις κβαντικοί υπολογιστές που κάθονται σε αυτό το εργαστήριο ο καθενας μπορεί να χρησιμοποιηθεί." Αναφέρεται σε συστήματα IBM Q, τα οποία είναι χτισμένα γύρω από qubits transmon, ουσιαστικά συνδέσεις niobium Josephson που έχουν διαμορφωθεί ώστε να συμπεριφέρονται σαν τεχνητά άτομα, που ελέγχονται από παλμούς μικροκυμάτων που πυροδοτούν συντονιστές μικροκυμάτων στο κβαντικό τσιπ, το οποίο με τη σειρά του συνδέεται και συνδέεται με τα qubits στο επεξεργαστής.

Η IBM προσφέρει τρεις τρόπους πρόσβασης στους κβαντικούς υπολογιστές και τους κβαντικούς προσομοιωτές. Για "κανέναν" υπάρχει το Qiskit SDK και μια φιλοξενούμενη έκδοση cloud που ονομάζεται IBM Q Experience (δείτε το παρακάτω στιγμιότυπο οθόνης), η οποία παρέχει επίσης μια γραφική διεπαφή για το σχεδιασμό και τον έλεγχο κυκλωμάτων. Στο επόμενο επίπεδο, ως μέρος του IBM Q Network, οι οργανισμοί (πανεπιστήμια και μεγάλες εταιρείες) έχουν πρόσβαση στα πιο προηγμένα συστήματα κβαντικών υπολογιστών και εργαλεία ανάπτυξης της IBM Q.

Το Qiskit υποστηρίζει Python 3.5 ή μεταγενέστερη έκδοση και εκτελείται σε Ubuntu, macOS και Windows. Για να υποβάλετε ένα πρόγραμμα Qiskit σε έναν από τους κβαντικούς υπολογιστές ή τους κβαντικούς προσομοιωτές της IBM, χρειάζεστε διαπιστευτήρια IBM Q Experience. Το Qiskit περιλαμβάνει έναν αλγόριθμο και βιβλιοθήκη εφαρμογών, το Aqua, το οποίο παρέχει αλγόριθμους όπως το Grover's Search και εφαρμογές για χημεία, AI, βελτιστοποίηση και χρηματοδότηση.

Η IBM παρουσίασε μια νέα γενιά συστήματος IBM Q με 53 qubit στα τέλη του 2019, ως μέρος ενός διευρυμένου στόλου κβαντικών υπολογιστών στο νέο IBM Quantum Computation Center στη Νέα Υόρκη. Αυτοί οι υπολογιστές είναι διαθέσιμοι στο cloud για περισσότερους από 150.000 εγγεγραμμένους χρήστες της IBM και σχεδόν 80 εμπορικούς πελάτες, ακαδημαϊκά ιδρύματα και ερευνητικά εργαστήρια.

Κβαντικός υπολογιστής στην Intel

Η έρευνα στα Intel Labs οδήγησε άμεσα στην ανάπτυξη του Tangle Lake, ενός υπεραγωγού κβαντικού επεξεργαστή που ενσωματώνει 49 qubit σε ένα πακέτο που κατασκευάζεται στην εγκατάσταση κατασκευής 300 χιλιοστών της Intel στο Hillsboro του Όρεγκον. Αυτή η συσκευή αντιπροσωπεύει την τρίτης γενιάς κβαντικών επεξεργαστών που παράγονται από την Intel, κλιμακώνοντας προς τα πάνω από 17 qubit στο προηγούμενο. Η Intel έχει στείλει τους επεξεργαστές Tangle Lake στην QuTech στις Κάτω Χώρες για δοκιμές και εργασία σε σχεδιασμό σε επίπεδο συστήματος.

Η Intel πραγματοποιεί επίσης έρευνα για spin qubits, τα οποία λειτουργούν με βάση την περιστροφή ενός μόνο ηλεκτρονίου σε πυρίτιο, που ελέγχεται από παλμούς μικροκυμάτων. Σε σύγκριση με τα υπεραγωγικά qubits, τα qubits spin μοιάζουν πολύ περισσότερο με τα υπάρχοντα εξαρτήματα ημιαγωγών που λειτουργούν σε πυρίτιο, εκμεταλλευόμενοι δυνητικά τις υπάρχουσες τεχνικές κατασκευής. Τα spin qubits αναμένεται να παραμείνουν συνεκτικά πολύ περισσότερο από τα υπεραγωγικά qubits και να πάρουν πολύ λιγότερο χώρο.

Κβαντικός υπολογιστής στη Microsoft

Η Microsoft ερευνά κβαντικούς υπολογιστές για πάνω από 20 χρόνια. Στη δημόσια ανακοίνωση της κβαντικής υπολογιστικής προσπάθειας της Microsoft τον Οκτώβριο του 2017, ο Δρ. Krysta Svore συζήτησε διάφορες ανακαλύψεις, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης τοπολογικών qubit, της γλώσσας προγραμματισμού Q # και του Quantum Development Kit (QDK). Τελικά, οι κβαντικοί υπολογιστές της Microsoft θα είναι διαθέσιμοι ως συν-επεξεργαστές στο Azure cloud.

Τα τοπολογικά qubits έχουν τη μορφή υπεραγωγών νανοσωλήνων. Σε αυτό το σχήμα, τμήματα του ηλεκτρονίου μπορούν να διαχωριστούν, δημιουργώντας ένα αυξημένο επίπεδο προστασίας για τις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στο φυσικό qubit. Αυτή είναι μια μορφή τοπολογικής προστασίας που είναι γνωστή ως ημι-σωματίδιο Majorana. Το οιονεί σωματίδιο Majorana, ένα παράξενο φερμιονίο που ενεργεί ως το δικό του αντι-σωματίδιο, προβλεπόταν το 1937 και εντοπίστηκε για πρώτη φορά στο εργαστήριο Microsoft Quantum στις Κάτω Χώρες το 2012. Το τοπολογικό qubit παρέχει μια καλύτερη βάση από τις συνδέσεις Josephson δεδομένου ότι έχει χαμηλότερα ποσοστά σφάλματος, μειώνοντας την αναλογία φυσικών qubits προς λογικά, διορθωμένα σφάλματα. Με αυτήν τη μειωμένη αναλογία, πιο λογικά qubit μπορούν να χωρέσουν μέσα στο ψυγείο αραίωσης, δημιουργώντας τη δυνατότητα κλιμάκωσης.

Η Microsoft έχει εκτιμήσει με διάφορους τρόπους ότι ένα τοπολογικό qubit Majorana αξίζει μεταξύ 10 και 1.000 quits quits Josephson όσον αφορά τα λογικά qubits που διορθώθηκαν με λάθη. Εκτός αυτού, ο Ettore Majorana, ο Ιταλός θεωρητικός φυσικός που προέβλεψε το οιονεί σωματίδιο με βάση μια κυματική εξίσωση, εξαφανίστηκε σε άγνωστες περιστάσεις κατά τη διάρκεια ενός ταξιδιού με πλοίο από το Παλέρμο στη Νάπολη στις 25 Μαρτίου 1938.