Co to jest obliczenia kwantowe? Rozwiązania niemożliwych problemów

W branży komputerowej nie brakuje szumu, chociaż nawet ja muszę przyznać, że czasami technologia dorównuje obietnicom. Uczenie maszynowe to dobry przykład. Uczenie maszynowe zyskało na popularności od lat pięćdziesiątych XX wieku i w ostatnim dziesięcioleciu stało się ogólnie przydatne.

Obliczenia kwantowe zostały zaproponowane w latach 80., ale nadal nie są praktyczne, chociaż nie stłumiło to szumu. Istnieją eksperymentalne komputery kwantowe w niewielkiej liczbie laboratoriów badawczych oraz kilka komercyjnych komputerów kwantowych i symulatorów kwantowych produkowanych przez IBM i inne firmy, ale nawet komercyjne komputery kwantowe wciąż mają niską liczbę kubitów (co wyjaśnię w następnej sekcji ), wysokie wskaźniki zaniku i znaczne ilości hałasu.

Wyjaśnienie obliczeń kwantowych

Najjaśniejsze wyjaśnienie obliczeń kwantowych, jakie znalazłem, znajduje się w tym filmie autorstwa dr Talii Gershon z IBM. W filmie Gershon wyjaśnia obliczenia kwantowe dziecku, nastolatkowi, studentowi college'u i absolwentowi, a następnie omawia mity i wyzwania związane z komputerami kwantowymi z profesorem Stevem Girvinem z Uniwersytetu Yale.

Dla dziecka dokonuje analogii między bitami a groszami. Klasyczne bity są binarne, jak grosze leżące na stole, pokazujące orły lub reszki. Bity kwantowe ( kubity ) są jak grosze wirujące na stole, które w końcu mogą zapaść się w stany, które są orłami lub ogonami.

Dla nastolatka używa tej samej analogii, ale dodaje słowo superpozycja, aby opisać stany wirującego grosza. Superpozycja stanów jest właściwością kwantową, powszechnie obserwowaną w cząstkach elementarnych oraz w chmurach elektronów atomów. W popularnej nauce zwykłą analogią jest eksperyment myślowy Kota Schrödingera, który istnieje w swoim pudełku w nałożonym stanie kwantowym zarówno żywym, jak i martwym, dopóki pudełko nie zostanie otwarte i nie zostanie zaobserwowane, że jest jednym lub drugim.

Gershon omawia z nastolatkiem splątanie kwantowe . Oznacza to, że stany dwóch lub więcej splątanych obiektów kwantowych są połączone, nawet jeśli są rozdzielone.

Nawiasem mówiąc, Einstein nienawidził tego pomysłu, który odrzucił jako „upiorną akcję na odległość”, ale zjawisko to jest rzeczywiste i obserwowalne eksperymentalnie, a ostatnio zostało nawet sfotografowane. Co więcej, światło zaplątane w informacje kwantowe zostało wysłane przez 50-kilometrowy światłowód.

Na koniec Gershon pokazuje młodzieńczy prototyp komputera kwantowego IBM z lodówką rozcieńczającą i omawia możliwe zastosowania komputerów kwantowych, takie jak modelowanie wiązań chemicznych.

Wraz ze studentem college'u Gershon omawia bardziej szczegółowo komputer kwantowy, chip kwantowy i lodówkę rozcieńczającą, która obniża temperaturę chipa do 10 mK (milikelwinów). Gershon wyjaśnia również bardziej szczegółowo splątanie kwantowe, wraz z superpozycją kwantową i interferencją. Konstruktywne zakłócenia kwantowe są wykorzystywane w komputerach kwantowych do wzmacniania sygnałów prowadzących do właściwej odpowiedzi, a destrukcyjne zakłócenia kwantowe są wykorzystywane do anulowania sygnałów prowadzących do błędnej odpowiedzi. IBM tworzy kubity z materiałów nadprzewodzących.

Gershon omawia z absolwentem możliwość wykorzystania komputerów kwantowych do przyspieszenia kluczowych części treningu modeli uczenia głębokiego. Wyjaśnia również, w jaki sposób IBM wykorzystuje skalibrowane impulsy mikrofalowe do manipulowania i mierzenia stanu kwantowego (kubitów) chipa komputerowego.

Główne algorytmy obliczeń kwantowych (omówione poniżej), które zostały opracowane zanim jeszcze jeden kubit został zademonstrowany, zakładały dostępność milionów doskonałych, odpornych na błędy kubitów z korekcją błędów. Obecnie mamy komputery z 50 kubitami i nie są one doskonałe. Nowe opracowywane algorytmy mają działać z ograniczoną liczbą hałaśliwych kubitów, które mamy obecnie.

Steve Girvin, fizyk teoretyczny z Yale, opowiada Gershonowi o swojej pracy nad odpornymi na uszkodzenia komputerami kwantowymi, które jeszcze nie istnieją. Obaj omawiają frustrację kwantowej dekoherencji - „Kwantową informację można przechowywać tylko tak długo” - oraz podstawową wrażliwość komputerów kwantowych na szum wynikający z prostego aktu bycia obserwowanym. Zastanawiali się nad mitami, że za pięć lat komputery kwantowe rozwiążą problem zmian klimatycznych, raka i. Girvin: „Jesteśmy obecnie na etapie lamp próżniowych lub tranzystorów w obliczeniach kwantowych i staramy się wynaleźć kwantowe układy scalone”.

Algorytmy kwantowe

Jak wspomniała Gershon w swoim filmie, starsze algorytmy kwantowe zakładają miliony doskonałych, odpornych na błędy kubitów z korekcją błędów, które nie są jeszcze dostępne. Niemniej jednak warto omówić dwie z nich, aby zrozumieć ich obietnicę i jakie środki zaradcze można zastosować, aby zabezpieczyć się przed ich użyciem w atakach kryptograficznych.

Algorytm Grovera

Algorytm Grovera, opracowany przez Lov Grover w 1996 roku, znajduje odwrotność funkcji w O (√N) krokach; może być również używany do wyszukiwania nieuporządkowanej listy. Zapewnia kwadratowe przyspieszenie w stosunku do klasycznych metod, które wymagają kroków O (N).

Inne zastosowania algorytmu Grovera obejmują szacowanie średniej i mediany zbioru liczb, rozwiązywanie problemu kolizji i kryptograficzne funkcje skrótu z wykorzystaniem inżynierii wstecznej. Ze względu na zastosowanie kryptograficzne badacze czasami sugerują podwojenie długości kluczy symetrycznych w celu ochrony przed przyszłymi atakami kwantowymi.

Algorytm Shora

Algorytm Shora, opracowany przez Petera Shora w 1994 roku, znajduje czynniki pierwsze liczby całkowitej. Działa w czasie wielomianowym w log (N), dzięki czemu jest wykładniczo szybszy niż klasyczne sito z ogólnym polem liczbowym. To wykładnicze przyspieszenie obiecuje przełamać schematy kryptografii klucza publicznego, takie jak RSA, gdyby istniały komputery kwantowe z „wystarczającą liczbą” kubitów (dokładna liczba zależałaby od rozmiaru uwzględnianej liczby całkowitej) przy braku szumu kwantowego i innych kwantowych -zjawiska koherencji.

Gdyby komputery kwantowe kiedykolwiek stały się wystarczająco duże i niezawodne, aby z powodzeniem uruchamiać algorytm Shora z rodzajem dużych liczb całkowitych używanych w szyfrowaniu RSA, wówczas potrzebowalibyśmy nowych kryptosystemów „post-kwantowych”, które nie zależą od trudności z faktoryzacją podstawową.

Symulacja obliczeń kwantowych w Atos

Atos tworzy symulator kwantowy, Quantum Learning Machine, który działa tak, jakby miał od 30 do 40 kubitów. Pakiet sprzętu / oprogramowania zawiera język programowania w asemblerze kwantowym i język hybrydowy wysokiego poziomu oparty na języku Python. Urządzenie jest używane w kilku laboratoriach krajowych i uczelniach technicznych.

Wyżarzanie kwantowe w D-Wave

D-Wave tworzy systemy wyżarzania kwantowego, takie jak DW-2000Q, które są nieco inne i mniej przydatne niż komputery kwantowe ogólnego przeznaczenia. Proces wyżarzania przeprowadza optymalizację w sposób podobny do algorytmu stochastycznego zstępowania gradientu (SGD) popularnego w uczeniu sieci neuronowych do głębokiego uczenia się, z wyjątkiem tego, że pozwala na wiele jednoczesnych punktów startowych i tunelowanie kwantowe przez lokalne wzniesienia. Komputery D-Wave nie mogą uruchamiać programów kwantowych, takich jak algorytm Shora.

D-Wave twierdzi, że system DW-2000Q ma do 2048 kubitów i 6016 sprzęgaczy. Aby osiągnąć tę skalę, wykorzystuje 128 000 złączy Josephsona na nadprzewodzącym chipie kwantowym, schłodzonym do mniej niż 15 mK przez lodówkę z rozcieńczaniem helu. Pakiet D-Wave zawiera zestaw narzędzi Python typu open source hostowanych w serwisie GitHub. DW-2000Q jest używany w kilku laboratoriach krajowych, firmach zbrojeniowych i przedsiębiorstwach globalnych.

Obliczenia kwantowe w Google AI

Google AI prowadzi badania nad kubitami nadprzewodzącymi ze skalowalną architekturą opartą na chipach, ukierunkowanymi na błąd podwójnej bramki kubitowej <0,5%, nad algorytmami kwantowymi do modelowania systemów oddziałujących elektronów w zastosowaniach w chemii i materiałoznawstwie, nad hybrydowymi kwantowymi rozwiązaniami klasycznymi do przybliżonej optymalizacji , w ramach implementacji kwantowej sieci neuronowej na procesorach krótkoterminowych i supremacji kwantowej.

W 2018 roku Google ogłosił stworzenie 72-kubitowego nadprzewodzącego układu o nazwie Bristlecone. Każdy kubit może łączyć się z czterema najbliższymi sąsiadami w macierzy 2D. Według Hartmuta Nevena, dyrektora laboratorium Google Quantum Artificial Intelligence, moc obliczeń kwantowych rośnie na krzywej podwójnie wykładniczej, w oparciu o liczbę konwencjonalnych procesorów potrzebnych laboratorium do replikacji wyników z komputerów kwantowych.

Pod koniec 2019 r.Google ogłosiło, że osiągnęło supremację kwantową, stan, w którym komputery kwantowe mogą rozwiązywać problemy nie do rozwiązania na klasycznych komputerach, używając nowego procesora 54-kubitowego o nazwie Sycamore. Zespół Google AI Quantum opublikował wyniki tego eksperymentu z supremacją kwantową w artykule Nature „Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor”. 

Obliczenia kwantowe w IBM

W wideo, które omówiłem wcześniej, dr Gershon wspomina, że ​​„w tym laboratorium znajdują się trzy komputery kwantowe, z których każdy może korzystać”. Odnosi się do systemów IBM Q, które są zbudowane wokół kubitów transmonowych, zasadniczo niobowych złączy Josephsona skonfigurowanych tak, aby zachowywały się jak sztuczne atomy, kontrolowane przez impulsy mikrofalowe, które wystrzeliwują rezonatory mikrofalowe na chipie kwantowym, które z kolei adresują i łączą się z kubitami na edytor.

IBM oferuje trzy sposoby dostępu do swoich komputerów kwantowych i symulatorów kwantowych. Dla „każdego” jest Qiskit SDK i hostowana wersja chmury o nazwie IBM Q Experience (patrz zrzut ekranu poniżej), która zapewnia również interfejs graficzny do projektowania i testowania obwodów. Na kolejnym poziomie, w ramach sieci IBM Q Network, organizacje (uczelnie i duże firmy) uzyskują dostęp do najbardziej zaawansowanych kwantowych systemów obliczeniowych i narzędzi programistycznych IBM Q.

Qiskit obsługuje język Python 3.5 lub nowszy i działa w systemach Ubuntu, macOS i Windows. Aby przesłać program Qiskit do jednego z komputerów kwantowych IBM lub symulatorów kwantowych, potrzebujesz poświadczeń IBM Q Experience. Qiskit zawiera bibliotekę algorytmów i aplikacji Aqua, która zapewnia algorytmy, takie jak Grover's Search i aplikacje dla chemii, sztucznej inteligencji, optymalizacji i finansów.

IBM zaprezentował nową generację systemu IBM Q z 53 kubitami pod koniec 2019 roku, jako część rozszerzonej floty komputerów kwantowych w nowym IBM Quantum Computation Center w stanie Nowy Jork. Komputery te są dostępne w chmurze dla ponad 150 000 zarejestrowanych użytkowników IBM i prawie 80 klientów komercyjnych, instytucji akademickich i laboratoriów badawczych.

Obliczenia kwantowe w firmie Intel

Badania przeprowadzone w laboratoriach Intel doprowadziły bezpośrednio do opracowania Tangle Lake, nadprzewodnikowego procesora kwantowego, który zawiera 49 kubitów w pakiecie, który jest produkowany w 300-milimetrowej fabryce Intela w Hillsboro w stanie Oregon. To urządzenie reprezentuje trzecią generację procesorów kwantowych produkowanych przez firmę Intel, skalując się w górę z 17 kubitów w swoim poprzedniku. Firma Intel wysłała procesory Tangle Lake do firmy QuTech w Holandii w celu przetestowania i pracy nad projektem na poziomie systemu.

Intel prowadzi również badania nad kubitami spinowymi, które działają na zasadzie spinu pojedynczego elektronu w krzemie, kontrolowanego impulsami mikrofalowymi. W porównaniu z kubitami nadprzewodzącymi, kubity spinowe znacznie bardziej przypominają istniejące elementy półprzewodnikowe działające w krzemie, potencjalnie wykorzystując istniejące techniki wytwarzania. Oczekuje się, że kubity spinowe pozostaną spójne znacznie dłużej niż kubity nadprzewodzące i zajmą znacznie mniej miejsca.

Obliczenia kwantowe w firmie Microsoft

Microsoft bada komputery kwantowe od ponad 20 lat. W publicznym ogłoszeniu działań firmy Microsoft w zakresie obliczeń kwantowych w październiku 2017 r. Dr Krysta Svore omówiła kilka przełomów, w tym wykorzystanie kubitów topologicznych, języka programowania Q # i zestawu Quantum Development Kit (QDK). Docelowo komputery kwantowe Microsoft będą dostępne jako koprocesory w chmurze Azure.

Kubity topologiczne przyjmują postać nadprzewodzących nanodrutów. W tym schemacie części elektronu można oddzielić, tworząc zwiększony poziom ochrony informacji przechowywanych w fizycznym kubicie. Jest to forma ochrony topologicznej znana jako quasi-cząstka Majorany. Quasi-cząstka Majorany, dziwny fermion działający jak własny antycząstka, została przewidziana w 1937 r. I została wykryta po raz pierwszy w laboratorium Microsoft Quantum w Holandii w 2012 r. Kubit topologiczny zapewnia lepszą podstawę niż złącza Josephsona ponieważ ma niższe współczynniki błędów, co zmniejsza stosunek kubitów fizycznych do logicznych kubitów z korekcją błędów. Dzięki temu zmniejszonemu współczynnikowi bardziej logiczne kubity mogą zmieścić się w lodówce do rozcieńczania, tworząc możliwość skalowania.

Firma Microsoft w różny sposób oszacowała, że ​​jeden kubit topologiczny Majorany jest wart od 10 do 1000 kubitów skrzyżowania Josephsona pod względem kubitów logicznych z korekcją błędów. Na marginesie, Ettore Majorana, włoski fizyk teoretyczny, który przewidział quasi-cząstkę na podstawie równania falowego, zniknął w nieznanych okolicznościach podczas rejsu łodzią z Palermo do Neapolu 25 marca 1938 roku.