Programavimas

Kas yra kvantinis skaičiavimas? Neįmanomų problemų sprendimai

Kompiuterių pramonėje netrūksta ažiotažo, nors net ir aš turiu pripažinti, kad kartais technologija žada pažadus. Mašininis mokymasis yra geras pavyzdys. Mašininis mokymasis buvo pripratęs nuo 1950-ųjų ir pagaliau tapo naudingas per pastarąjį dešimtmetį.

Kvantinis skaičiavimas buvo pasiūlytas devintajame dešimtmetyje, tačiau vis dar nėra praktiškas, nors tai nesumenkino ažiotažo. Yra eksperimentinių kvantinių kompiuterių nedaugelyje tyrimų laboratorijų, keletas komercinių kvantinių kompiuterių ir kvantinių imitatorių, kuriuos gamina IBM ir kiti, tačiau net ir komerciniuose kvantiniuose kompiuteriuose vis dar yra mažai kubitų (tai paaiškinsiu kitame skyriuje). ), dideli skilimo rodikliai ir didelis triukšmo kiekis.

Kvantinis skaičiavimas paaiškintas

Aiškiausias kvantinių skaičiavimų paaiškinimas, kurį radau, yra šiame vaizdo įraše, kurį parašė dr. Talia Gershon iš IBM. Vaizdo įraše Gershonas paaiškina kvantinį skaičiavimą vaikui, paaugliui, kolegijos studentui ir magistrantui, o tada su profesoriumi Steve'u Girvinu iš Jeilio universiteto aptaria kvantinio skaičiavimo mitus ir iššūkius.

Vaikui ji daro analogiją tarp bitų ir centų. Klasikiniai bitai yra dvejetainiai, kaip centai, gulintys ant stalo, rodantys galvas arba uodegas. Kvantiniai bitai (kubitai) yra tarsi ant stalo besisukantys centai, kurie ilgainiui gali subyrėti į valstybes, kurios yra arba galvos, arba uodegos.

Paauglei ji naudoja tą pačią analogiją, tačiau prideda žodį superpozicija apibūdinti besisukančio cento būsenas. Būsenų uždėjimas yra kvantinė savybė, paprastai matoma elementariose dalelėse ir atomų elektronų debesyse. Populiariajame moksle įprasta analogija yra Schrödingerio katės minties eksperimentas, kuris egzistuoja jo dėžutėje uždengtos tiek gyvų, tiek mirusių kvantinėje būsenoje, kol dėžutė yra atidaryta ir pastebima, kad ji yra viena ar kita.

Gershonas tęsia diskusijas apie kvantą susipynimas su paaugliu. Tai reiškia, kad dviejų ar daugiau susipynusių kvantinių objektų būsenos yra susietos, net jei jos yra atskirtos.

Beje, Einšteinas nekentė šios idėjos, kurią atmetė kaip „baisų veiksmą per atstumą“, tačiau šis reiškinys yra realus ir eksperimentiškai stebimas, o pastaruoju metu netgi buvo nufotografuotas. Dar geriau, kad šviesa, susipynusi su kvantine informacija, buvo išsiųsta per 50 kilometrų optinį pluoštą.

Galiausiai Gershonas parodo paauglio IBM kvantinio kompiuterio prototipą su skiedimo šaldytuvu ir aptaria galimas kvantinių kompiuterių taikymo galimybes, pavyzdžiui, cheminių ryšių modeliavimą.

Su kolegijos studentu Gershonas išsamiau išnagrinėja kvantinį kompiuterį, kvantinę mikroschemą ir skiedimo šaldytuvą, kuris mikroschemos temperatūrą sumažina iki 10 mK (milliKelvin). Gershonas taip pat išsamiau paaiškina kvantinį įsipainiojimą, kartu su kvantine superpozicija ir kišimusi. Konstruktyvūs kvantiniai trukdžiai naudojami kvantiniuose kompiuteriuose, norint sustiprinti signalus, vedančius į teisingą atsakymą, o destruktyvūs kvantiniai trukdžiai naudojami signalams, vedantiems į neteisingą atsakymą, panaikinti. IBM gamina kubitus iš superlaidžių medžiagų.

Su grado studentu Gershonas aptaria galimybę naudoti kvantinius kompiuterius pagreitinti pagrindines gilaus mokymosi modelių mokymo dalis. Ji taip pat paaiškina, kaip IBM naudoja kalibruotus mikrobangų impulsus manipuliuodama ir matuodama skaičiavimo lusto kvantinę būseną (kubitus).

Pagrindiniai kvantinio skaičiavimo algoritmai (aptariami toliau), kurie buvo sukurti dar neįrodžius nė vienos kubito, padarė prielaidą, kad yra milijonai tobulų, klaidoms atsparių, klaidų ištaisytų kubitų. Šiuo metu turime kompiuterius su 50 kubitų, ir jie nėra tobuli. Kuriami nauji algoritmai skirti dirbti su ribotu triukšmingų kubitų skaičiumi, kurį turime dabar.

Teorinis fizikas iš „Yale“ Steve'as Girvinas pasakoja Gershonui apie savo darbą su gedimams atspariais kvantiniais kompiuteriais, kurių dar nėra. Jiedu diskutuoja apie kvantinės dekoherencijos nusivylimą - „Savo informacijos kvantą galite išlaikyti tik tiek laiko“ - ir apie būtiną kvantinių kompiuterių jautrumą triukšmui, kurį sukelia paprastas stebėjimas. Jie dūrė į mitus, kad po penkerių metų kvantiniai kompiuteriai išspręs klimato pokyčius, vėžį ir kt. Girvinas: „Šiuo metu esame kvantinio skaičiavimo vakuuminio vamzdžio arba tranzistoriaus etape ir stengiamės išrasti integruotas kvantines grandines.“

Kvantiniai algoritmai

Kaip Gershon minėjo savo vaizdo įraše, senesni kvantiniai algoritmai daro prielaidą, kad milijonai tobulų, klaidoms atsparių, klaidų ištaisytų kubitų dar nėra. Nepaisant to, verta aptarti du iš jų, kad suprastume jų pažadą ir kokias atsakomąsias priemones galima naudoti siekiant apsisaugoti nuo jų naudojimo kriptografinėse atakose.

Groverio algoritmas

Groverio algoritmas, sugalvotas Lovo Groverio 1996 m., O (√N) pakopose nustato funkcijos atvirkštinę funkciją; jis taip pat gali būti naudojamas ieškant nesutvarkyto sąrašo. Tai suteikia kvadratinį greitį, palyginti su klasikiniais metodais, kuriems reikia O (N) žingsnių.

Kitos „Grover“ algoritmo taikymo sritys yra skaičių rinkinio vidurkio ir medianos įvertinimas, susidūrimo problemos sprendimas ir atvirkštinės inžinerijos kriptografinės maišos funkcijos. Dėl kriptografinės programos tyrėjai kartais siūlo dvigubinti simetrišką rakto ilgį, kad apsaugotų nuo būsimų kvantinių atakų.

Šoro algoritmas

Šoro algoritmas, kurį sukūrė Peteris Shoras 1994 m., Nustato pagrindinius sveikojo skaičiaus veiksnius. Jis eina daugianariu laiku log (N), todėl jis yra eksponentiškai greitesnis nei klasikinis bendrojo skaičiaus lauko sietas. Šis eksponentinis spartinimas žada sugadinti viešojo rakto kriptografijos schemas, tokias kaip RSA, jei būtų kvantinių kompiuterių su „pakankamai“ kubitais (tikslus skaičius priklausytų nuo skaičiuojamo skaičiaus dydžio), jei nėra kvantinio triukšmo ir kitų kvantinių nenuoseklumo reiškiniai.

Jei kvantiniai kompiuteriai kada nors taps pakankamai dideli ir patikimi, kad būtų galima sėkmingai paleisti Šoro algoritmą, palyginti su dideliais sveikaisiais skaičiais, naudojamais RSA šifravimui, tada mums reikės naujų „post-quantum“ kriptosistemų, kurios nepriklauso nuo pirminio faktorizavimo sunkumų.

Kvantinės skaičiavimo modeliavimas „Atos“

„Atos“ sukuria kvantinį treniruoklį „Quantum Learning Machine“, kuris veikia taip, tarsi turėtų 30–40 kubitų. Aparatinės ir programinės įrangos pakete yra kvantinės asamblėjos programavimo kalba ir „Python“ pagrindu sukurta aukšto lygio hibridinė kalba. Įrenginys naudojamas keliose nacionalinėse laboratorijose ir technikos universitetuose.

Kvantinis atkaitinimas „D-Wave“

„D-Wave“ gamina tokias kvantinio atkaitinimo sistemas kaip DW-2000Q, kurios yra šiek tiek kitokios ir mažiau naudingos nei bendrosios paskirties kvantiniai kompiuteriai. Atkaitinimo procesas optimizuojamas panašiai kaip stochastinio gradiento nusileidimo (SGD) algoritmas, populiarus giliųjų besimokančių neuroninių tinklų mokymui, išskyrus tai, kad jis leidžia daugybę pradinių taškų vienu metu ir kvantinį tunelį per vietines kalvas. „D-Wave“ kompiuteriuose negalima vykdyti kvantinių programų, tokių kaip „Shor“ algoritmas.

„D-Wave“ teigia, kad „DW-2000Q“ sistemoje yra iki 2048 kubitų ir 6016 jungčių. Norint pasiekti šią skalę, jis naudoja 128 000 „Josephson“ jungčių superlaidžioje kvantinio apdorojimo mikroschemoje, kurią helio praskiedimo šaldytuvas atvėsina iki mažiau nei 15 mK. „D-Wave“ paketą sudaro „GitHub“ priglobtų atvirojo kodo „Python“ įrankių rinkinys. DW-2000Q naudojamas keliose nacionalinėse laboratorijose, gynybos rangovuose ir pasaulinėse įmonėse.

Kvantinis skaičiavimas „Google AI“

„Google AI“ tiria superlaidžius kubitus su mikroschemomis paremta keičiama architektūra, nukreipiančia dviejų kubitų vartų paklaidą <0,5%, kvantinius algoritmus, skirtus sąveikaujančių elektronų su chemijos ir medžiagų mokslu sistemoms modeliuoti, hibridinius kvantinius-klasikinius sprendiklius, kad būtų galima optimaliai optimizuoti , apie pagrindą, kaip įgyvendinti kvantinį neuroninį tinklą artimiausiuose procesoriuose, ir apie kvantinę viršenybę.

2018 m. „Google“ paskelbė sukūrusi 72 kubitų superlaidumo mikroschemą „Bristlecone“. Kiekviena kubita gali susisiekti su keturiais artimiausiais 2D masyvo kaimynais. Pasak „Google“ kvantinio dirbtinio intelekto laboratorijos direktoriaus Hartmuto Neveno, kvantinės skaičiavimo galia didėja dvigubos eksponentinės kreivės pagrindu, remiantis įprastų procesorių skaičiumi, kurio laboratorijai reikia pakartoti savo kvantinių kompiuterių rezultatus.

2019 m. Pabaigoje „Google“ paskelbė, kad pasiekė kvantinę viršenybę - sąlygą, kai kvantiniai kompiuteriai gali išspręsti problemas, kurių neįmanoma išspręsti klasikiniuose kompiuteriuose, naudodamas naują 54 kubitų procesorių, pavadintą „Sycamore“. „Google AI Quantum“ komanda paskelbė šio kvantinio viršenybės eksperimento rezultatus Gamta straipsnis „Kvantinė viršenybė naudojant programuojamą superlaidų procesorių“.

Kvantinis skaičiavimas IBM

Anksčiau aptartame vaizdo įraše daktaras Gershonas mini, kad „šioje laboratorijoje sėdi trys kvantiniai kompiuteriai bet kas gali naudoti “. Ji kalba apie „IBM Q“ sistemas, kurios yra pastatytos aplink transmonų kubitus, iš esmės niobio Josephsono jungtis, sukonfigūruotas elgtis kaip dirbtiniai atomai, valdomi mikrobangų impulsų, kurie kvantinėje mikroschemoje įjungia mikrobangų rezonatorius. procesorius.

IBM siūlo tris būdus, kaip pasiekti savo kvantinius kompiuterius ir kvantinius treniruoklius. „Bet kam“ yra „Qiskit SDK“ ir priglobta debesies versija, vadinama „IBM Q Experience“ (žr. Toliau pateiktą ekrano kopiją), kuri taip pat suteikia grafinę sąsają grandinėms kurti ir išbandyti. Kitame lygmenyje, kaip „IBM Q Network“ dalis, organizacijoms (universitetams ir didelėms įmonėms) suteikiama prieiga prie pažangiausių „IBM Q“ kvantinių skaičiavimo sistemų ir kūrimo įrankių.

„Qiskit“ palaiko „Python 3.5“ ar naujesnę versiją ir veikia „Ubuntu“, „MacOS“ ir „Windows“. Norėdami pateikti „Qiskit“ programą į vieną iš IBM kvantinių kompiuterių ar kvantinių imitatorių, jums reikia „IBM Q Experience“ kredencialų. „Qiskit“ apima algoritmus ir programų biblioteką „Aqua“, teikiančią tokius algoritmus kaip „Grover's Search“ ir chemijos, dirbtinio intelekto, optimizavimo ir finansų programas.

2019 m. Pabaigoje „IBM“ pristatė naujos kartos „IBM Q“ sistemą su 53 kubitais kaip išplėstą kvantinių kompiuterių parką naujajame „IBM Quantum Computation Center“ Niujorko valstijoje. Šiuos kompiuterius debesyje gali įsigyti daugiau nei 150 000 registruotų IBM vartotojų ir beveik 80 komercinių klientų, akademinių institucijų ir tyrimų laboratorijų.

Kvantinis skaičiavimas „Intel“

Tyrimai „Intel Labs“ leido tiesiogiai sukurti „Tangle Lake“, superlaidųjį kvantinį procesorių, kuriame 49 kubitai yra pakuotėje, gaminamoje „Intel“ 300 milimetrų gamybos įmonėje Hillsboro mieste, Oregone. Šis įrenginys atstovauja trečiosios kartos kvantiniams procesoriams, kuriuos gamina „Intel“, padidindamas savo pirmtako 17 kvitų skaičių. „Intel“ išsiuntė „Tangle Lake“ procesorius į „QuTech“ (Nyderlandai), kad jie galėtų išbandyti ir dirbti kuriant sistemos lygį.

„Intel“ taip pat tiria sukimo kvitus, kurie veikia pagal vieno elektrono sukimąsi silicyje, valdomą mikrobangų impulsais. Palyginti su superlaidžiais kubitais, sukimo kubitai daug labiau primena esamus puslaidininkių komponentus, veikiančius silicyje, galbūt pasinaudodami esamais gamybos būdais. Manoma, kad sukimo kubitai išliks nuoseklūs daug ilgiau nei superlaidūs kubitai, ir užims daug mažiau vietos.

Kvantinis skaičiavimas „Microsoft“

„Microsoft“ daugiau nei 20 metų tyrinėjo kvantinius kompiuterius. 2017 m. Spalio mėn. Viešame pranešime apie „Microsoft“ kiekybinio skaičiavimo pastangas dr. Krysta Svore aptarė keletą proveržių, įskaitant topologinių kubitų, programavimo kalbos Q # ir „Quantum Development Kit“ (QDK) naudojimą. Galų gale „Microsoft“ kvantiniai kompiuteriai bus prieinami kaip bendri procesoriai „Azure“ debesyje.

Topologiniai kubitai pasireiškia superlaidžių nanovielių pavidalu. Pagal šią schemą galima atskirti elektrono dalis, sukuriant padidintą fiziniame kubitoje saugomos informacijos apsaugos lygį. Tai yra topologinės apsaugos forma, žinoma kaip „Majorana“ kvazidalelė. „Majorana“ kvazi dalelė, keistas fermionas, veikiantis kaip savo antidalelė, buvo numatytas 1937 m. Ir pirmą kartą aptiktas „Microsoft Quantum“ laboratorijoje Nyderlanduose 2012 m. kadangi jo klaidų lygis yra mažesnis, sumažėja fizinių ir loginių, klaidų ištaisytų kubitų santykis. Naudojant šį sumažintą santykį, logiškesni kubitai gali tilpti į praskiedimo šaldytuvą, sukurdami mastelį.

„Microsoft“ įvairiai apskaičiavo, kad vienas topologinis „Majorana“ kubitas yra vertinamas nuo 10 iki 1 000 „Josephson“ sankryžos kubitų, atsižvelgiant į klaidų ištaisytus loginius kubitus. Nepaisant to, italų teorinis fizikas Ettore Majorana, kuris pagal bangų lygtį numatė kvazi dalelę, dingo nežinomomis aplinkybėmis per kelionę laivu iš Palermo į Neapolį 1938 m. Kovo 25 d.