Programování

Co je kvantová práce na počítači? Řešení nemožných problémů

V počítačovém průmyslu nechybí humbuk, i když i já musím přiznat, že tato technologie někdy slibuje. Dobrým příkladem je strojové učení. Strojové učení bylo medializováno od padesátých let minulého století a v posledním desetiletí se konečně stalo obecně užitečné.

Kvantové výpočty byly navrženy v 80. letech, ale stále to není praktické, i když to humbuk neutlumilo. V malém počtu výzkumných laboratoří existují experimentální kvantové počítače a několik komerčních kvantových počítačů a kvantových simulátorů vyrobených společností IBM a dalšími, ale i komerční kvantové počítače mají stále nízký počet qubitů (což vysvětlím v následující části ), vysoké rychlosti rozpadu a značné množství hluku.

Kvantové výpočty vysvětleny

Nejjasnější vysvětlení kvantového výpočtu, které jsem našel, je v tomto videu Dr. Tálie Gershon z IBM. Ve videu Gershon vysvětluje kvantové výpočty dítěti, teenagerovi, vysokoškolskému studentovi a postgraduálnímu studentovi a poté diskutuje o mýtech a výzvách kvantového výpočtu s profesorem Stevem Girvinem z Yale University.

S dítětem dělá analogii mezi kousky a haléři. Klasické bity jsou binární, jako haléře ležící na stole, zobrazující buď hlavy, nebo ocasy. Kvantové bity (qubits) jsou jako haléře točící se na stole, které by se nakonec mohly zhroutit do stavů, které jsou buď hlavami nebo ocasy.

Pro teenagera používá stejnou analogii, ale přidává slovo superpozice popsat stavy otáčejícího se penny. Superpozice stavů je kvantová vlastnost, která se běžně vyskytuje v elementárních částicích a v elektronových mracích atomů. V populární vědě je obvyklou analogií myšlenkový experiment Schrödingerovy kočky, který existuje ve své krabici v superponovaném kvantovém stavu živých i mrtvých, dokud není krabička otevřená a není pozorováno, že je jedna nebo druhá.

Gershon dále diskutuje o kvantu zapletení s teenagerem. To znamená, že stavy dvou nebo více zapletených kvantových objektů jsou propojeny, i když jsou odděleny.

Mimochodem, Einstein nenáviděl tuto myšlenku, kterou odmítl jako „strašidelnou akci na dálku“, ale tento jev je skutečný a experimentálně pozorovatelný a nedávno byl dokonce vyfotografován. Ještě lépe, světlo zapletené do kvantové informace bylo odesláno přes 50 kilometrů optické vlákno.

Nakonec Gershon ukazuje teenagerův prototyp kvantového počítače IBM s jeho ředicí lednicí a diskutuje o možných aplikacích kvantových počítačů, jako je modelování chemických vazeb.

S vysokoškolským studentem jde Gershon podrobněji o kvantovém počítači, kvantovém čipu a ředicí chladničce, která snižuje teplotu čipu na 10 mK (milliKelvin). Gershon také podrobněji vysvětluje kvantové zapletení spolu s kvantovou superpozicí a interferencí. Konstruktivní kvantová interference se v kvantových počítačích používá k zesílení signálů vedoucích ke správné odpovědi a destruktivní kvantová interference se používá ke zrušení signálů vedoucích ke špatné odpovědi. IBM vyrábí qubity ze supravodivých materiálů.

Se studentem Gershon diskutuje o možnosti použití kvantových počítačů k urychlení klíčových částí tréninku modelů hlubokého učení. Vysvětluje také, jak IBM používá kalibrované mikrovlnné pulsy k manipulaci a měření kvantového stavu (qubits) výpočetního čipu.

Hlavní algoritmy pro kvantové výpočty (diskutované níže), které byly vyvinuty ještě předtím, než byl předveden co i jen jeden qubit, předpokládaly dostupnost milionů dokonalých qubits odolných vůči chybám a opravených chybami. V současné době máme počítače s 50 qubits a nejsou dokonalé. Nové vyvíjené algoritmy jsou určeny pro práci s omezeným počtem hlučných qubitů, které nyní máme.

Steve Girvin, teoretický fyzik z Yale, říká Gershonovi o jeho práci na kvantových počítačích odolných vůči chybám, které dosud neexistují. Ti dva diskutují o frustraci z kvantové dekoherence - „Svou informaci můžete udržet pouze tak dlouho“ - a o zásadní citlivosti kvantových počítačů na hluk z pouhého pozorování. Začali bodat mýty, že za pět let kvantové počítače vyřeší změnu klimatu, rakovinu atd. Girvin: „Momentálně jsme ve fázi vakuové trubice nebo tranzistoru kvantové práce na počítači a snažíme se vymyslet kvantové integrované obvody.“

Kvantové algoritmy

Jak uvedla Gershon ve svém videu, starší kvantové algoritmy předpokládají miliony dokonalých qubits odolných vůči chybám a opravených chybami, které dosud nejsou k dispozici. Přesto stojí za to diskutovat o dvou z nich, aby pochopili jejich slib a jaká protiopatření lze použít k ochraně proti jejich použití při kryptografických útokech.

Groverův algoritmus

Groverův algoritmus, který navrhl Lov Grover v roce 1996, najde inverzní funkci v krocích O (√N); lze jej také použít k prohledání neuspořádaného seznamu. Poskytuje kvadratické zrychlení oproti klasickým metodám, které vyžadují kroky O (N).

Mezi další aplikace Groverova algoritmu patří odhad střední a střední hodnoty sady čísel, řešení problému kolize a kryptografické hašovací funkce reverzního inženýrství. Kvůli kryptografické aplikaci vědci někdy navrhují, aby se délky symetrických klíčů zdvojnásobily, aby byly chráněny před budoucími kvantovými útoky.

Shorův algoritmus

Shorův algoritmus, který navrhl Peter Shor v roce 1994, najde hlavní faktory celého čísla. Běží v polynomiálním čase v logu (N), takže je exponenciálně rychlejší než klasické síto s obecným číselným polem. Toto exponenciální zrychlení slibuje prolomení kryptografických schémat veřejného klíče, jako je RSA, pokud by existovaly kvantové počítače s „dostatkem“ qubitů (přesný počet by závisel na velikosti uvažovaného celého čísla) bez absence kvantového šumu a dalších kvantových - jevy dekoherence.

Pokud by se kvantové počítače staly dostatečně velkými a spolehlivými, aby mohly úspěšně spustit Shorův algoritmus proti druhům velkých celých čísel používaných v šifrování RSA, pak bychom potřebovali nové „postkvantové“ kryptosystémy, které nezávisí na obtížnosti primární faktorizace.

Kvantová výpočetní simulace v Atosu

Atos vyrábí kvantový simulátor, stroj na kvantové učení, který funguje, jako by měl 30 až 40 qubitů. Hardwarový / softwarový balíček obsahuje programovací jazyk kvantové sestavy a hybridní jazyk na vysoké úrovni založený na Pythonu. Zařízení se používá v několika národních laboratořích a na technických univerzitách.

Kvantové žíhání na D-vlně

D-Wave vyrábí kvantové žíhací systémy, jako je DW-2000Q, které jsou trochu jiné a méně užitečné než kvantové počítače pro všeobecné účely. Proces žíhání optimalizuje způsobem, který je podobný algoritmu stochastického gradientu sestupu (SGD), který je populární pro výcvik neuronových sítí s hlubokým učením, kromě toho, že umožňuje mnoho simultánních výchozích bodů a kvantového tunelování místními kopci. Počítače D-Wave nemohou spouštět kvantové programy, jako je Shorův algoritmus.

D-Wave tvrdí, že systém DW-2000Q má až 2 048 qubitů a 6 016 vazebních členů. K dosažení tohoto měřítka využívá 128 000 spojů Josephson na supravodivém čipu kvantového zpracování, chlazeného na méně než 15 mK ledničkou s ředěním helia. Balíček D-Wave obsahuje sadu nástrojů Python s otevřeným zdrojovým kódem hostovaných na GitHubu. DW-2000Q se používá v několika národních laboratořích, dodavatelích obrany a globálních podnicích.

Kvantové výpočty v Google AI

Google AI provádí výzkum supravodivých qubitů s čipovou škálovatelnou architekturou zaměřenou na chybu dvoukbitové brány <0,5%, na kvantových algoritmech pro modelování systémů interagujících elektronů s aplikacemi v chemii a vědě o materiálech, hybridních kvantově-klasických řešičích pro přibližnou optimalizaci , o rámci pro implementaci kvantové neuronové sítě na krátkodobých procesorech a o kvantové nadvládě.

V roce 2018 společnost Google oznámila vytvoření 72kbitového supravodivého čipu s názvem Bristlecone. Každý qubit se může spojit se čtyřmi nejbližšími sousedy v 2D poli. Podle Hartmuta Nevena, ředitele laboratoře Quantum Artificial Intelligence společnosti Google, se kvantový výpočetní výkon zvyšuje na dvojexponenciální křivce na základě počtu konvenčních procesorů, které laboratoř potřebuje k replikaci výsledků ze svých kvantových počítačů.

Na konci roku 2019 Google oznámil, že dosáhl kvantové nadvlády, což je stav, kdy kvantové počítače mohou vyřešit problémy, které jsou na klasických počítačích neřešitelné, pomocí nového 54bitového procesoru s názvem Sycamore. Tým Google AI Quantum zveřejnil výsledky tohoto experimentu kvantové nadvlády v Příroda článek „Kvantová nadvláda pomocí programovatelného supravodivého procesoru.“

Kvantové výpočty v IBM

Ve videu, o kterém jsem hovořil dříve, Dr. Gershon uvádí, že „V této laboratoři sedí tři kvantové počítače kdokoliv může použít." Hovoří o systémech IBM Q, které jsou postaveny na transmon qubitech, v podstatě niobových Josephsonových uzlech nakonfigurovaných tak, aby se chovaly jako umělé atomy, řízené mikrovlnnými pulsy, které vypalují mikrovlnné rezonátory na kvantovém čipu, které zase řeší a párují se qubity procesor.

IBM nabízí tři způsoby přístupu ke svým kvantovým počítačům a kvantovým simulátorům. Pro „kohokoli“ existuje sada Qiskit SDK a hostovaná cloudová verze s názvem IBM Q Experience (viz screenshot níže), která také poskytuje grafické rozhraní pro navrhování a testování obvodů. Na další úrovni je organizacím (univerzitám a velkým společnostem) v rámci sítě IBM Q Network poskytován přístup k nejpokročilejším kvantovým výpočetním systémům a vývojovým nástrojům IBM Q.

Qiskit podporuje Python 3.5 nebo novější a běží na Ubuntu, macOS a Windows. Chcete-li odeslat program Qiskit do jednoho z kvantových počítačů nebo kvantových simulátorů IBM, potřebujete pověření IBM Q Experience. Qiskit obsahuje knihovnu algoritmů a aplikací Aqua, která poskytuje algoritmy jako Grover's Search a aplikace pro chemii, AI, optimalizaci a finance.

Společnost IBM představila na konci roku 2019 novou generaci systému IBM Q s 53 qubits jako součást rozšířené flotily kvantových počítačů v novém IBM Quantum Computation Center ve státě New York. Tyto počítače jsou k dispozici v cloudu pro více než 150 000 registrovaných uživatelů IBM a téměř 80 komerčních klientů, akademických institucí a výzkumných laboratoří.

Kvantové výpočty u společnosti Intel

Výzkum v laboratořích Intel Labs vedl přímo k vývoji Tangle Lake, supravodivého kvantového procesoru, který zahrnuje 49 qubitů v balíčku, který je vyráběn ve výrobním závodě společnosti Intel v 300 milimetrech v Hillsboro v Oregonu. Toto zařízení představuje třetí generaci kvantových procesorů vyráběných společností Intel, přičemž u svého předchůdce se škáloval nahoru ze 17 qubitů. Intel poslal procesory Tangle Lake do Nizozemska QuTech k testování a práci na designu na úrovni systému.

Společnost Intel také provádí výzkum spin qubitů, které fungují na základě rotace jednoho elektronu v křemíku, řízeného mikrovlnnými pulsy. Ve srovnání se supravodivými qubity se spin qubits mnohem více podobají existujícím polovodičovým součástem pracujícím v křemíku, což potenciálně využívá výhod stávajících výrobních technik. Očekává se, že spin qubity zůstanou koherentní mnohem déle než supravodivé qubity a zabere mnohem méně místa.

Kvantové výpočty ve společnosti Microsoft

Microsoft zkoumá kvantové počítače více než 20 let. Ve veřejném oznámení kvantového výpočetního úsilí společnosti Microsoft v říjnu 2017 diskutovala Dr. Krysta Svore o několika průlomech, včetně použití topologických qubits, programovacího jazyka Q # a Quantum Development Kit (QDK). Nakonec budou kvantové počítače Microsoftu k dispozici jako koprocesory v cloudu Azure.

Topologické qubity mají podobu supravodivých nanodrátů. V tomto schématu lze oddělit části elektronu, což vytváří zvýšenou úroveň ochrany informací uložených ve fyzickém qubitu. Toto je forma topologické ochrany známá jako kvazi-částice Majorana. Kvazi-částice Majorana, podivný fermion, který funguje jako vlastní anti-částice, byl předpovězen v roce 1937 a byl poprvé detekován v laboratoři Microsoft Quantum v Nizozemsku v roce 2012. Topologický qubit poskytuje lepší základ než křižovatky Josephson protože má nižší chybovost, snižuje poměr fyzických qubits k logickým qubits opraveným chybami. S tímto sníženým poměrem se do ředicí chladničky vejde více logických qubitů, což vytváří schopnost škálování.

Microsoft různě odhaduje, že jeden topologický majoránský qubit má hodnotu mezi 10 a 1000 spojovacími Josephson qubits, pokud jde o logické qubits opravené chybou. Kromě toho italský teoretický fyzik Ettore Majorana, který předpověděl kvazi-částice na základě vlnové rovnice, zmizel za neznámých okolností během plavby lodí z Palerma do Neapole 25. března 1938.