Datoru nozarē netrūkst satraukuma, lai gan pat man jāatzīst, ka dažreiz tehnoloģija patiešām izpilda solījumus. Mašīnmācība ir labs piemērs. Mašīnmācība ir bijusi izveicīga kopš 20. gadsimta 50. gadiem, un pēdējā desmitgadē tā beidzot ir kļuvusi noderīga.
Kvantu skaitļošana tika ierosināta pagājušā gadsimta astoņdesmitajos gados, taču tā joprojām nav praktiska, lai gan tas nemazina ažiotāžu. Ir eksperimentāli kvantu datori nelielā skaitā pētījumu laboratoriju un daži komerciāli kvantu datori un kvantu simulatori, ko ražojuši IBM un citi, taču pat komerciālajos kvantu datoros joprojām ir mazs kvītu skaits (ko es paskaidrošu nākamajā sadaļā) ), augsts sabrukšanas līmenis un ievērojams trokšņa daudzums.
Kvantu skaitļošana ir izskaidrota
Visskaidrākais kvantu skaitļošanas skaidrojums, ko esmu atradis, ir šajā Dr. Dr Talijas Geršones (IBM) video. Videoklipā Geršons izskaidro kvantu skaitļošanu bērnam, pusaudzim, koledžas studentam un maģistrantam, un pēc tam ar profesoru Stīvu Girvinu no Jeilas universitātes apspriež kvantu skaitļošanas mītus un izaicinājumus.
Bērnam viņa izdara analoģiju starp bitiem un santīmiem. Klasiskie biti ir bināri, tāpat kā santīmi, kas guļ uz galda, parādot galvas vai astes. Kvantu biti (kubiti) ir kā graši, kas griežas uz galda, kas galu galā var sabrukt štatos, kas ir vai nu galvas, vai astes.
Pusaudzim viņa izmanto to pašu līdzību, bet pievieno vārdu superpozīcija aprakstīt vērpjošā santīma stāvokļus. Stāvokļu superpozīcija ir kvantu īpašība, ko parasti novēro elementārdaļiņās un atomu elektronu mākoņos. Populārajā zinātnē parastā līdzība ir Šrēdingera kaķa domu eksperiments, kas eksistē tā kastē gan dzīvu, gan mirušu uzliktā kvantu stāvoklī, līdz kaste ir atvērta un tiek novērots, ka tā ir viena vai otra.
Geršons turpina apspriest kvantu sapīšanās ar pusaudzi. Tas nozīmē, ka divu vai vairāku sapinušos kvantu objektu stāvokļi ir saistīti, pat ja tie ir atdalīti.
Starp citu, Einšteins ienīda šo ideju, kuru viņš noraidīja kā “spocīgu rīcību attālumā”, taču šī parādība ir reāla un eksperimentāli novērojama, un pēdējā laikā tā pat ir nofotografēta. Vēl labāk - 50 kilometru optiskajā šķiedrā ir nosūtīta gaisma, kas sapinusies ar kvantu informāciju.
Visbeidzot, Geršons parāda pusaudža IBM kvantu datora prototipu ar atšķaidīšanas ledusskapi un apspriež iespējamos kvantu datoru pielietojumus, piemēram, ķīmisko saišu modelēšanu.
Kopā ar koledžas studentu Geršons sīkāk apraksta kvantu datoru, kvantu mikroshēmu un atšķaidīšanas ledusskapi, kas mikroshēmas temperatūru pazemina līdz 10 mK (miliKelvin). Geršons arī sīkāk izskaidro kvantu sapinšanos, kā arī kvantu superpozīciju un traucējumus. Konstruktīvus kvantu traucējumus kvantu datoros izmanto, lai pastiprinātu signālus, kas noved pie pareizās atbildes, un destruktīvos kvantu traucējumus izmanto, lai atceltu signālus, kas noved pie nepareizas atbildes. IBM izgatavo kubitus no supravadošiem materiāliem.
Ar grad studentu Geršons apspriež iespēju izmantot kvantu datorus, lai paātrinātu dziļu mācību modeļu apmācības galvenās daļas. Viņa arī paskaidro, kā IBM izmanto kalibrētus mikroviļņu impulsus, lai manipulētu un izmērītu skaitļošanas mikroshēmas kvantu stāvokli (kubitus).
Galvenie kvantu skaitļošanas algoritmi (apspriesti turpmāk), kas tika izstrādāti, pirms tika pierādīts pat viens kubits, pieņēma, ka ir pieejami miljoniem perfektu, kļūdu izturīgu, kļūdām labotu kubītu. Pašlaik mums ir datori ar 50 kubitiem, un tie nav ideāli. Jaunie izstrādājamie algoritmi ir paredzēti darbam ar ierobežoto skaļo kubitu skaitu, kāds mums tagad ir.
Jeilas teorētiskais fiziķis Stīvs Girvins stāsta Geršonam par savu darbu pie kļūdām izturīgiem kvantu datoriem, kuru vēl nav. Abi no viņiem apspriež kvantu dekoherences neapmierinātību - “Informācijas kvantu var saglabāt tikai tik ilgi” - un kvantu datoru būtisko jutību pret troksni, ko rada vienkārša novērošana. Viņi izdarīja dūrienu pie mītiem, ka pēc pieciem gadiem kvantu datori atrisinās klimata pārmaiņas, vēzi un citus. Girvins: "Mēs šobrīd atrodamies kvantu skaitļošanas vakuuma caurules vai tranzistora stadijā, un mēs cenšamies izgudrot kvantu integrētās shēmas."
Kvantu algoritmi
Kā savā videoklipā minēja Geršona, vecākie kvantu algoritmi pieņem miljoniem perfektu, kļūdas izturīgu, kļūdu labotu kubitu, kas vēl nav pieejami. Neskatoties uz to, ir vērts apspriest divus no viņiem, lai saprastu viņu solījumus un kādus pretpasākumus var izmantot, lai aizsargātu pret to izmantošanu kriptogrāfijas uzbrukumos.
Grovera algoritms
Lovera Grovera 1996. gadā izstrādātais Grovera algoritms funkcijas apgriezto daļu atrod O (√N) pakāpēs; to var izmantot arī, lai meklētu nesakārtotu sarakstu. Tas nodrošina kvadrātisku paātrinājumu salīdzinājumā ar klasiskajām metodēm, kurām nepieciešami O (N) soļi.
Citas Grovera algoritma lietojumprogrammas ietver skaitļu kopas vidējā un vidējā līmeņa novērtēšanu, sadursmes problēmas risināšanu un reversās inženierijas kriptogrāfiskās jaukšanas funkcijas. Kriptogrāfiskās lietojumprogrammas dēļ pētnieki dažkārt iesaka dubultot simetrisko atslēgu garumu, lai pasargātu no turpmākajiem kvantu uzbrukumiem.
Šora algoritms
Šora algoritms, kuru 1994. gadā izstrādāja Pīters Šors, atrod vesela skaitļa galvenos faktorus. Tas darbojas polinoma laikā žurnālā (N), padarot to eksponenciāli ātrāku nekā klasiskā vispārējā skaitļa lauka siets. Šis eksponenciālais paātrinājums sola izjaukt publiskās atslēgas kriptogrāfijas shēmas, piemēram, RSA, ja būtu kvantu datori ar “pietiekami” kvītiem (precīzs skaitlis būtu atkarīgs no faktora skaitļa lieluma), ja nebūtu kvantu trokšņa un citu kvantu -decoherence parādības.
Ja kvantu datori kādreiz kļūs pietiekami lieli un uzticami, lai veiksmīgi palaistu Šora algoritmu pret lielo veselu skaitļu veidu, kas tiek izmantots RSA šifrēšanā, mums būtu nepieciešamas jaunas “post-quantum” kriptosistēmas, kas nav atkarīgas no primārās faktorizācijas grūtībām.
Kvantu skaitļošanas simulācija pie Atos
Atos izgatavo kvantu simulatoru Quantum Learning Machine, kas darbojas tā, it kā tam būtu no 30 līdz 40 kubitiem. Aparatūras / programmatūras pakotne ietver kvantu asamblejas programmēšanas valodu un uz Python balstītu augsta līmeņa hibrīdvalodu. Ierīce tiek izmantota dažās nacionālajās laboratorijās un tehniskajās universitātēs.
Kvantu atlaidināšana D-Wave
D-Wave ražo tādas kvantu atlaidināšanas sistēmas kā DW-2000Q, kas ir nedaudz atšķirīgas un mazāk noderīgas nekā vispārējas nozīmes kvantu datori. Atkausēšanas process veic optimizāciju tādā veidā, kas ir līdzīgs stohastiskā gradienta nolaišanās (SGD) algoritmam, kas ir populārs dziļu mācību neironu tīklu apmācībai, izņemot to, ka tas ļauj daudzus vienlaicīgus sākumpunktus un kvantu tuneli caur vietējiem kalniem. D-Wave datori nevar palaist tādas kvantu programmas kā Shor algoritms.
D-Wave apgalvo, ka DW-2000Q sistēmā ir līdz 2048 kubiti un 6016 savienotāji. Lai sasniegtu šo mērogu, tas izmanto 128 000 Džozefsona mezglus uz supravadošās kvantu apstrādes mikroshēmas, ko hēlija atšķaidīšanas ledusskapī atdzesē līdz mazāk nekā 15 mK. D-Wave paketē ietilpst atvērtā koda Python rīku komplekts, kas mitināts vietnē GitHub. DW-2000Q tiek izmantots dažās nacionālajās laboratorijās, aizsardzības darbuzņēmējos un pasaules uzņēmumos.
Kvantu skaitļošana Google AI
Google AI veic izpēti par supravadītājiem kubitiem ar mikroshēmu balstītu mērogojamu arhitektūru, kas vērsta uz divu kvotu vārtu kļūdu <0,5%, par kvantu algoritmiem mijiedarbojošos elektronu sistēmu modelēšanai ar ķīmijas un materiālu zinātnes lietojumiem, par hibrīdiem kvantu-klasiskajiem risinātājiem aptuvenai optimizācijai , par sistēmu kvantu neironu tīkla ieviešanai tuvākajā laika procesoros un kvantu pārākumu.
2018. gadā Google paziņoja par 72 kbitu supravadīšanas mikroshēmas ar nosaukumu Bristlecone izveidi. Katrs kubit var izveidot savienojumu ar četriem tuvākajiem kaimiņiem 2D masīvā. Saskaņā ar Google Kvantu mākslīgā intelekta laboratorijas direktora Hartmuta Nevena teikto, kvantu skaitļošanas jauda palielinās dubulteksponenciālā līknē, pamatojoties uz parasto CPU skaitu, kas laboratorijai ir nepieciešams, lai atkārtotu viņu kvantu datoru rezultātus.
2019. gada beigās Google paziņoja, ka ir sasniedzis kvantu pārākumu - nosacījumu, ka kvantu datori var atrisināt problēmas, kuras nav iespējams atrisināt klasiskajos datoros, izmantojot jaunu 54-qubit procesoru ar nosaukumu Sycamore. Google AI Quantum komanda publicēja šī kvantu pārākuma eksperimenta rezultātus Daba raksts “Kvantu pārākums, izmantojot programmējamu supravadīšanas procesoru”.
Kvantu skaitļošana IBM
Iepriekš apskatītajā video doktors Geršons piemin, ka “Šajā laboratorijā sēž trīs kvantu datori kāds var izmantot." Viņa atsaucas uz IBM Q sistēmām, kas ir veidotas ap transmonu kubītiem, būtībā niobija Džozefsona mezgliem, kas konfigurēti tā, lai izturētos kā mākslīgi atomi, kurus kontrolē mikroviļņu impulsi, kas kvantu mikroshēmā iedarbina mikroviļņu rezonatorus, kas savukārt uzrunā un savieno ar kvitiem. procesors.
IBM piedāvā trīs veidus, kā piekļūt saviem kvantu datoriem un kvantu simulatoriem. Ikvienam ir pieejams Qiskit SDK un mitināta mākoņa versija ar nosaukumu IBM Q Experience (skatiet ekrānuzņēmumu zemāk), kas nodrošina arī grafisko saskarni ķēžu projektēšanai un testēšanai. Nākamajā līmenī kā daļa no IBM Q tīkla organizācijām (universitātēm un lieliem uzņēmumiem) tiek nodrošināta piekļuve vismodernākajām IBM Q kvantu skaitļošanas sistēmām un izstrādes rīkiem.
Qiskit atbalsta Python 3.5 vai jaunāku versiju un darbojas uz Ubuntu, macOS un Windows. Lai iesniegtu Qiskit programmu vienā no IBM kvantu datoriem vai kvantu simulatoriem, jums ir nepieciešami IBM Q Experience akreditācijas dati. Qiskit ietver algoritmu un lietojumprogrammu bibliotēku Aqua, kas nodrošina tādus algoritmus kā Grover’s Search un ķīmijas, AI, optimizācijas un finanšu lietojumprogrammas.
2019. gada beigās IBM kā daļu no paplašinātas kvantu datoru flotes jaunajā IBM Kvantu skaitļošanas centrā Ņujorkas štatā atklāja jaunas paaudzes IBM Q sistēmu ar 53 kubitiem. Šie datori mākonī ir pieejami IBM vairāk nekā 150 000 reģistrētiem lietotājiem un gandrīz 80 komerciāliem klientiem, akadēmiskām institūcijām un pētījumu laboratorijām.
Kvantu skaitļošana Intel
Pētījumi Intel Labs ir tieši noveduši pie Tangle Lake - supravadoša kvantu procesora - izstrādes, kurā 49 kubiti ir iekļauti paketē, kas tiek ražota Intel 300 milimetru ražošanas rūpnīcā Hillsboro, Oregonā. Šī ierīce pārstāv trešās paaudzes kvantu procesorus, ko ražo Intel, palielinot tā priekšgājēja 17 kvitus. Intel ir nosūtījis Tangle Lake procesorus uz QuTech Nīderlandē, lai veiktu testēšanu un strādātu pie sistēmas līmeņa projektēšanas.
Intel arī veic pētījumu par griešanās kvitiem, kas darbojas, pamatojoties uz viena elektrona griešanos silīcijā, kuru kontrolē mikroviļņu impulsi. Salīdzinot ar supravadītājiem kubitiem, spin kubi ir daudz vairāk līdzīgi esošajiem pusvadītāju komponentiem, kas darbojas silīcijā, potenciāli izmantojot esošās ražošanas metodes. Paredzams, ka centrifugētie kvīti paliks sakarīgi daudz ilgāk nekā supravadoši kubiti, un aizņems daudz mazāk vietas.
Kvantu skaitļošana pie Microsoft
Microsoft ir pētījis kvantu datorus vairāk nekā 20 gadus. Publiskajā paziņojumā par Microsoft kvantu skaitļošanas centieniem 2017. gada oktobrī Dr. Krysta Svore apsprieda vairākus sasniegumus, tostarp topoloģisko kvotu izmantošanu, Q # programmēšanas valodu un Quantum Development Kit (QDK). Galu galā Microsoft kvantu datori būs pieejami kā līdzprocesori Azure mākonī.
Topoloģiskie kubi ir supravadoši nanovadi. Šajā shēmā elektronu daļas var atdalīt, radot paaugstinātu fiziskajā kvitā glabātās informācijas aizsardzības līmeni. Šī ir topoloģiskās aizsardzības forma, kas pazīstama kā Majorana kvazis daļiņa. Majorana kvazis daļiņa, dīvains fermions, kas darbojas kā savs anti-daļiņas, tika prognozēts 1937. gadā un pirmo reizi tika atklāts Microsoft Quantum laboratorijā Nīderlandē 2012. gadā. Topoloģiskā kvita nodrošina labāku pamatu nekā Džozefsona krustojumi. tā kā tam ir zemāki kļūdu līmeņi, samazinot fizisko kubu un loģisko, ar kļūdām laboto kvītu attiecību. Izmantojot šo samazināto attiecību, loģiskāki kubi spēj ievietot atšķaidīšanas ledusskapī, radot iespēju mērogot.
Microsoft ir dažādi aprēķinājis, ka viena topoloģiskā Majorana kubita vērtība ir no 10 līdz 1000 Džozefsona krustojuma kvitiem, ņemot vērā kļūdu labotos loģiskos kvitus. Atklājot itāļu teorētisko fiziķi Ettore Majorana, kura, balstoties uz viļņu vienādojumu, paredzēja kvazis daļiņu, nezināmos apstākļos pazuda, braucot ar kuģīti no Palermo uz Neapoli 1938. gada 25. martā.
