การคำนวณควอนตัมใกล้เคียงกับความเป็นจริงหรือไม่?

การคำนวณควอนตัม - แนวคิดของการทำงานกับคอมพิวเตอร์ที่แสดงคุณสมบัติควอนตัมเช่นความสามารถในการควบคุมหลายรัฐในเวลาเดียวกัน - มีการหารือกันมานาน แต่ตอนนี้ดูเหมือนว่าจะเข้าใกล้ความเป็นจริงด้วยความก้าวหน้าที่ยิ่งใหญ่ ในการประชุม Techonomy เมื่อสัปดาห์ที่แล้วฉันได้มีโอกาสเป็นเจ้าภาพจัดการอภิปรายในหัวข้อนี้กับผู้นำของ บริษัท บางแห่งที่ผลักซองจดหมายในหัวข้อนี้รวมถึง D-Wave และ IBM

ไบรอันจาคอบส์ที่ปรึกษาของ Berberian & Company ซึ่งให้คำแนะนำเกี่ยวกับการคำนวณควอนตัมอธิบายว่าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เราใช้ทุกวันนี้ข้อมูลถูกเก็บไว้ในความดูแลของอิเล็กตรอนซึ่งเปิดหรือปิด กล่าวอีกนัยหนึ่งเล็กน้อย แต่ถ้าคุณเข้ารหัสข้อมูลในสถานะควอนตัมเช่นอิเล็กตรอนเดี่ยวหรือโฟตอนคุณสามารถแมปที่เป็นศูนย์และหนึ่งได้เช่นเดียวกับบิตคลาสสิกปกติ แต่ก็มีการซ้อนซึ่งมันจะเป็นศูนย์และหนึ่งพร้อมกัน . เขาอธิบายว่าความคิดที่น่าสนใจคือถ้าคุณมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีจำนวนควอนตัมบิตจำนวนมากซึ่งมักเรียกว่า qubits คุณสามารถเริ่มต้นด้วยการซ้อนทับของอินพุตที่เป็นไปได้ทั้งหมดในเวลาเดียวกันและถ้าคุณสามารถ ประมวลผลข้อมูลด้วยวิธีควอนตัมเชื่อมโยงกันในบางแง่มุมคุณสามารถคำนวณฟังก์ชันเดียวกันในอินพุตที่เป็นไปได้ทั้งหมดพร้อมกัน มันเรียกว่าควอนตัมขนาน เขาตั้งข้อสังเกตว่ามีวิธีการที่แตกต่างกันสองสามอย่างที่ผู้คนพยายามทำในวันนี้วิธีแรกคือแบบเกทเบสซึ่งเหมือนกับคอมพิวเตอร์ดิจิตอลทั่วไปและอีกวิธีหนึ่งคล้ายกับกระบวนการอะนาล็อกหรือที่รู้จักกันในชื่อควอนตัมหลอม

Vern Brownell ซีอีโอของ D-Wave Systems ซึ่งได้ส่งมอบเครื่องจักรไม่กี่เครื่องที่ใช้การหลอมควอนตัมกล่าวว่า บริษัท ของเขาเลือกที่จะใช้วิธีการนี้เป็นอันดับแรก "เพราะเราคิดว่านั่นจะทำให้เรามีความสามารถเร็วกว่าควอนตัมชนิดอื่น ๆ การนำคอมพิวเตอร์มาใช้ " เขากล่าวว่า D-Wave ดูที่รุ่นอื่น ๆ ของการคำนวณควอนตัมเช่นกัน แต่วิธีนี้เป็นวิธีปฏิบัติมากที่สุด

เขาอธิบายว่าเขามีเครื่องอบควอนตัมที่มี 1, 000 พันบิทซึ่งสามารถสำรวจพื้นที่คำตอบของความเป็นไปได้ที่แตกต่างกันสองต่อจำนวน เป็นหลักนี้ทำงานกับปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพที่ซับซ้อนและมองหาพลังงานต่ำสุดหรือคำตอบที่ดีที่สุดสำหรับปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพนั้น Brownell กล่าวว่าขณะนี้ Google ได้อัพเกรดเครื่องที่ซื้อมาก่อนหน้านี้สำหรับห้องปฏิบัติการปัญญาประดิษฐ์ควอนตัมของมันแล้วตรวจสอบว่าสิ่งนี้สามารถช่วยในการเรียนรู้ของเครื่องได้อย่างไร ลูกค้ารายอื่นคือ Lockheed ซึ่งกำลังดูปัญหาที่เรียกว่าการตรวจสอบความถูกต้องของซอฟต์แวร์และการตรวจสอบความถูกต้อง

Brownell ยอมรับว่าตัวอย่างเหล่านี้ยังไม่ได้มีการผลิตจริง ๆ แต่กล่าวว่าพวกเขาใช้งานแอพพลิเคชั่นจริงที่กำลังแก้ไขปัญหาจริงในระดับ กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขายังไม่ถึงจุดที่เครื่อง D-Wave ดีกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์คลาสสิก แต่เขากล่าวว่า "เราใกล้เคียงกับมันมาก" ในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้า บริษัท จะแสดง "ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำได้ดีกว่าสิ่งที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมสามารถทำได้เราอยู่ที่จุดนี้"

Mark Ritter สมาชิกทีมวิจัยที่โดดเด่นและผู้จัดการอาวุโสในแผนกวิทยาศาสตร์กายภาพที่ IBM TJ Watson Research Center อธิบายว่าทีมของเขากำลังทำโครงการควอนตัมหลายโครงการ แต่ได้มุ่งเน้นไปที่การคำนวณควอนตัมแบบเกตและการแก้ไขข้อผิดพลาด .

หนึ่งในนักทฤษฎีในทีมของเขาคือ Sergey Bravyi ได้ประดิษฐ์ "รหัสทอพอโลยีที่เท่าเทียมกัน" เขาอธิบายว่าเราใช้รหัสแก้ไขข้อผิดพลาดในคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมด้วยเช่นกัน แต่ข้อมูลควอนตัมนั้นบอบบางมากดังนั้นเพื่อสร้างระบบตามเกทคุณต้องใช้รหัสเพื่อปกป้องข้อมูลควอนตัมที่บอบบาง ทีมของเขาสร้างระบบ 4-qubit โดย qubits เรียกว่า "transmons" ที่สามารถเก็บข้อมูลควอนตัมบางส่วนไว้เป็นระยะเวลานานและด้วยรหัสการแก้ไขข้อผิดพลาดสามารถสร้างการคำนวณควอนตัมแบบเกทเบส เขาบอกว่านี่เป็นเหมือนตาข่ายสี่เหลี่ยมที่ qubits อยู่ที่จุดยอดของกระดาษกราฟ อัลกอริทึมจะวางโค้ดนี้ทับ qubits เป้าหมายของ IBM คือการเพิ่ม qubits ให้กับอัลกอริทึมนั้นมากขึ้นเรื่อย ๆ เขากล่าวว่าในไม่ช้ามันอาจจะสามารถรักษาสถานะควอนตัมได้ไม่ จำกัด

เขาสังเกตเห็นว่าประตูควอนตัมใช้สิ่งกีดขวางใน qubits ทั้งหมดและมองดูสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดอย่างไรเมื่อเปรียบเทียบกับรูปแบบการรบกวนที่คุณเห็นเมื่อคุณวางหินจำนวนมากลงในสระน้ำและรับการรบกวนที่สร้างสรรค์และการทำลายล้าง คำตอบที่ดีที่สุดจะถูกแทรกแซงอย่างสร้างสรรค์เขากล่าวและคำตอบนี้จะเป็นคำตอบเดียวที่คุณท้ายถ้ามีคำตอบเดียวกับปัญหา ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้เกตเกตเขากล่าวว่าคุณสามารถใช้สัญญาณรบกวนในการเข้ารหัสนี้เพื่อรับคำตอบเมื่อสิ้นสุดกระบวนการและควรเร่งความเร็วให้กับอัลกอริธึมบางอย่างแทน

ในขณะที่สิ่งนี้อาจยังคงเป็นไปไม่ได้ Ritter กล่าวว่าผู้คนต่างก็คิดที่จะใช้ qubits ในการรันการจำลองแบบอะนาล็อกที่มีความเชื่อมโยงสูงเช่นการจำลองโมเลกุลต่างๆ Jacobs เห็นด้วยกับการจำลองควอนตัมและพูดคุยเกี่ยวกับการจำลองทางเคมีของโมเลกุลที่มีเสถียรภาพเพื่อค้นหายา

ฉันถามถึงอัลกอริทึมของชอร์ซึ่งแนะนำว่าด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมคุณสามารถทำลายการเข้ารหัสแบบเดิมได้มาก Jacobs ใช้การเปรียบเทียบของเรือจรวดที่พยายามส่งนักบินอวกาศไปยังดวงจันทร์ Jacobs กล่าวว่าอัลกอริทึมที่ดำเนินการกับปัญหาที่เราพยายามแก้ไขเช่นอัลกอริทึมของชอร์นั้นคล้ายกับโมดูลคำสั่งของเรือจรวดและการแก้ไขข้อผิดพลาด - เช่นสิ่งที่ทีมของ Ritter กำลังทำงานอยู่ - เหมือนขั้นตอน ของจรวด แต่เขากล่าวว่าประเภทของเชื้อเพลิงหรือเครื่องยนต์จรวดที่เรามีในตอนนี้ไม่เพียงพอสำหรับเรือจรวดทุกขนาด เขาบอกว่ามันเป็นคำถามที่ยุ่งยากมากและค่าใช้จ่ายทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณควอนตัมและการแก้ไขข้อผิดพลาดหมายความว่าอัลกอริทึมหลายตัวที่ดูมีแนวโน้มมากในวันนี้อาจไม่ออกมา Brownell กล่าวว่าเขาคิดว่าเรามีทศวรรษหรือมากกว่านั้นก่อนที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจทำลายการเข้ารหัส RSA และเราจะต้องย้ายไปใช้การเข้ารหัสหลังระดับควอนตัม

Brownell เน้นว่ารูปแบบเกทของการคำนวณควอนตัมนั้นแตกต่างจากการหลอมควอนตัมและพูดคุยเกี่ยวกับประโยชน์ที่ได้รับเมื่อแก้ไขปัญหาการหาค่าเหมาะที่สุดในปัจจุบัน เขายังกล่าวอีกว่าเกือบจะสามารถแก้ปัญหาที่อยู่นอกเหนือการใช้งานคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม ในการวัดประสิทธิภาพเขาพบว่า Google พบว่าเครื่อง D-Wave สามารถแก้ปัญหาที่ใดที่หนึ่งด้วยความเร็ว 30-100, 000 เท่าเร็วกว่าอัลกอริธึมที่ใช้งานทั่วไปในปัจจุบัน ในขณะที่นี่ไม่ใช่อัลกอริทึมที่มีประโยชน์เขากล่าวว่าทีมของเขามุ่งเน้นไปที่อัลกอริธึมการใช้งานจริงที่สามารถใช้ประโยชน์จากความสามารถนี้เนื่องจากโปรเซสเซอร์ของเครื่องชั่งจะมีประสิทธิภาพในทุก ๆ 12-18 เดือน

Brownell เปรียบเทียบการคำนวณควอนตัมในวันนี้กับ Intel ในปี 1974 เมื่อมันออกมาพร้อมกับไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรก เขาอยู่กับ Digital Equipment Corp. ในตอนนั้นและกล่าวว่าในเวลานั้น "เราไม่ได้กังวลมากนักเกี่ยวกับ Intel เพราะพวกเขามีไมโครโพรเซสเซอร์ขนาดเล็กราคาถูกเหล่านี้ซึ่งไม่มีประสิทธิภาพเท่ากล่องใหญ่และสิ่งที่เรามี แต่ภายในเวลาไม่ถึงสิบปีธุรกิจก็หายไปอย่างสมบูรณ์และดิจิตอลก็หมดไป” เขากล่าวว่าในขณะที่เขาไม่คิดว่าการคำนวณควอนตัมจะคุกคามทั้งโลกการคำนวณแบบดั้งเดิมเขาคาดว่าจะเห็นการปรับปรุงที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้ในโปรเซสเซอร์ทุก ๆ 18 เดือนจนถึงจุดที่ความสามารถที่จำเป็นสำหรับผู้จัดการไอที และนักพัฒนาที่จะใช้

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเขากล่าวว่า D-Wave มีอัลกอริธึมการเรียนรู้แบบน่าจะเป็นร่วมซึ่งบางส่วนอยู่ในพื้นที่การเรียนรู้ลึกที่สามารถทำงานได้ดีขึ้นในการจดจำสิ่งต่าง ๆ และในการฝึกอบรมมากกว่าที่จะทำได้โดยไม่ต้องคำนวณควอนตัม ในที่สุดเขาเห็นว่าสิ่งนี้เป็นทรัพยากรในระบบคลาวด์ที่จะถูกนำมาใช้อย่างมากในการชมเชยกับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม

Ritter กล่าวว่าเป็นการยากที่จะเปรียบเทียบวิธีการควอนตัมใด ๆ กับเครื่องคลาสสิคที่ใช้งานคอมพิวเตอร์ทั่วไปเพราะผู้คนกำลังเร่งความเร็วและใช้ GPUs และ FPGA ที่ออกแบบมาสำหรับงานเฉพาะ เขาบอกว่าถ้าคุณออกแบบ ASIC ที่เฉพาะเจาะจงในการแก้ปัญหาของคุณการคำนวณควอนตัมจริงด้วยการเร่งความเร็วที่แท้จริงควรเอาชนะสิ่งเหล่านี้ได้เพราะทุก ๆ qubit ที่คุณเพิ่มจะเพิ่มพื้นที่การกำหนดค่านั้นเป็นสองเท่า กล่าวอีกนัยหนึ่งการใส่หนึ่งพัน qubits เข้าด้วยกันควรเพิ่มพื้นที่โดย 2x1000 ^th ซึ่งเขาสังเกตเห็นได้มากกว่าจำนวนอะตอมในจักรวาล และเขากล่าวว่าด้วยคอมพิวเตอร์ที่ใช้เกตปัญหาคือประตูทำงานช้ากว่าโทรศัพท์มือถือของคุณดังนั้นคุณจึงมีการดำเนินงานเพิ่มขึ้นในคราวเดียว แต่การดำเนินการแต่ละครั้งจะช้ากว่าบนคอมพิวเตอร์คลาสสิค “ นั่นเป็นเหตุผลที่คุณต้องสร้างเครื่องจักรที่ใหญ่กว่าก่อนที่จะเห็นครอสโอเวอร์แบบนี้” เขากล่าว

จาคอบส์ชี้ให้เห็นว่าการคำนวณควอนตัมมีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่าไร "ถ้าคุณดูพลังที่ใช้ซูเปอร์กรีนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดในโลกถ้าคุณต้องการทำแบบจำลอง 65 qubit นั่นจะต้องใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เพียงแห่งเดียว" เขากล่าว "ถ้าคุณต้องการ ถ้าจะทำ 66 จะต้องใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์สองโรง "

Brownell กล่าวว่าด้วยจำนวนมากกว่า 1, 000 qubits เครื่อง D-Wave ปัจจุบันสามารถจัดการกับโมเดลได้สูงถึง 2 ถึง 1, 000 ในทางทฤษฎีเทียบเท่ากับ 10 ถึง 300 (สำหรับการเปรียบเทียบเขากล่าวว่านักวิทยาศาสตร์ประเมินว่ามีอะตอมประมาณ 10 ถึง 80 ในเอกภพเท่านั้น) ดังนั้นเขาจึงกล่าวว่าข้อ จำกัด ด้านประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ไม่ได้เกิดจากข้อ จำกัด ในการหลอมควอนตัม แต่เป็นข้อ จำกัด ในตัวฉัน / O function ปัญหาทางวิศวกรรมที่ได้รับการแก้ไขในแต่ละรุ่นใหม่ สำหรับอัลกอริธึมมาตรฐานบางตัวเครื่อง 1152-qubit ของ บริษัท ควรมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิคทั่วไปถึง 600 เท่า

สถาปัตยกรรมของ D-Wave ซึ่งใช้เมทริกซ์ของ qubits กับข้อต่อซึ่งในบางครั้งคล้ายกับเครือข่ายประสาทเทียมได้มีการประยุกต์เริ่มต้นกับเครือข่ายประสาทการเรียนรู้ลึกในการเรียนรู้ของเครื่อง

แต่เขายังได้พูดคุยเกี่ยวกับแอปพลิเคชั่นอื่น ๆ เช่นการใช้งานแบบจำลองของ Monte Carlo ซึ่งเขาเคยทำที่ Goldman Sachs (ซึ่งเขาเป็น CIO) สำหรับการคำนวณค่าความเสี่ยง เขาจำได้ว่าสิ่งนี้ใช้เวลาถึงหนึ่งล้านแกนและต้องวิ่งข้ามคืน ในทางทฤษฎีคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถทำสิ่งที่คล้ายกันโดยใช้พลังงานน้อยกว่ามาก เขากล่าวว่าเครื่อง D-Wave ใช้งานน้อยมาก แต่จำเป็นต้องทำงานในตู้เย็นขนาดใหญ่ที่รักษาอุณหภูมิที่ต่ำมาก (ประมาณ 8 milikelvin) แต่ตัวเครื่องนั้นใช้เวลาเพียง 15-20 กิโลวัตต์เท่านั้นในการทำงานซึ่งค่อนข้างเล็ก สำหรับศูนย์ข้อมูล

Ritter กล่าวถึงแนวคิดที่คล้ายกันสำหรับโมเดลที่อิงเกทและกล่าวถึงการสุ่มตัวอย่างของมหานครควอนตัมซึ่งเขากล่าวว่าเทียบเท่ากับควอนตัมมอนติคาร์โล แต่มีสถิติแตกต่างกันเนื่องจากคุณสมบัติพัวพัน

ทีมของ Ritter กำลังทำงานเกี่ยวกับการจำลองแบบอะนาล็อกควอนตัมซึ่งสามารถคำนวณและแมปการออกแบบโมเลกุลเป็นการเชื่อมต่อของ qubits และให้มันแก้โหมดอุดมคติและพฤติกรรมทั้งหมดของโมเลกุลซึ่งเขากล่าวว่ายากมากเมื่อคุณรับอิเล็กตรอนประมาณ 50 .

Jacobs พูดถึงการเข้ารหัสควอนตัมซึ่งเกี่ยวข้องกับกุญแจที่สร้างขึ้นในลักษณะที่สามารถพิสูจน์ได้ว่าไม่มีใครฟังในการส่งสัญญาณ Ritter กล่าวว่า Charlie Bennett ของไอบีเอ็มได้ใช้เทคนิคในการ "เคลื่อนย้ายมวลสาร" ของ qubit บนลิงก์ไปยัง qubit อื่นในเครื่อง แต่กล่าวว่าเขาคิดว่าเทคนิคดังกล่าวใช้เวลาไม่กี่ปี

จาคอบส์ชี้ให้เห็นความแตกต่างระหว่างการคำนวณควอนตัมเกตและการควอนตัมหลอมโดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ของการแก้ไขข้อผิดพลาดและสังเกตว่ามีอีกวิธีหนึ่งที่เรียกว่าการคำนวณควอนตัมทอพอโลยีที่ไมโครซอฟต์กำลังทำงาน

ความท้าทายที่น่าสนใจอย่างหนึ่งคือการเขียนแอปพลิเคชั่นสำหรับเครื่องจักรดังกล่าวซึ่ง Ritter อธิบายว่าเป็นการส่งเสียงในความถี่ที่เฉพาะเจาะจงซึ่งทำให้ qubits ที่แตกต่างกันดังก้องและโต้ตอบกับกันและกันในเวลาซึ่งทำให้การคำนวณเกิดขึ้น เขาตั้งข้อสังเกตว่ามีภาษาระดับสูงขึ้น แต่งานจำนวนมากยังคงต้องใช้นักทฤษฎี จาคอบส์ตั้งข้อสังเกตว่าภาษาควอนตัมโอเพ่นซอร์สในระดับต่าง ๆ เช่น QASM และควิปเปอร์ทั้งสองเน้นไปที่รูปแบบควอนตัมเกท Brownell ตั้งข้อสังเกตว่ายังไม่ได้มีกิจกรรมมากนักในการหลอมควอนตัมเนื่องจากมันเป็นที่ถกเถียงกันมากขึ้นจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้และบอกว่า D-Wave ต้องทำงานหลายอย่างด้วยตัวเองและทำงานเกี่ยวกับการเคลื่อนย้ายภาษาในระดับที่สูงขึ้น ภายในห้าปีเขาหวังว่ามันจะใช้งานได้ง่ายเช่นเดียวกับ GPU หรือทรัพยากรแบบคลาสสิกอื่น ๆ