V počítačovom priemysle nechýba humbuk, aj keď dokonca musím pripustiť, že niekedy táto technológia plní sľuby. Dobrým príkladom je strojové učenie. Strojové učenie bolo medializované od 50. rokov 20. storočia a v poslednom desaťročí sa stalo všeobecne užitočné.
Kvantové výpočty boli navrhnuté v 80. rokoch. Stále to však nie je praktické, hoci to nijako neutlmilo humbuk. V malom počte výskumných laboratórií existujú experimentálne kvantové počítače a niekoľko komerčných kvantových počítačov a kvantových simulátorov vyrobených spoločnosťou IBM a ďalšími, ale aj komerčné kvantové počítače majú stále nízky počet qubitov (čo vysvetlím v nasledujúcej časti). ), vysoké rýchlosti rozkladu a značné množstvo hluku.
Kvantové výpočty vysvetlené
Najjasnejšie vysvetlenie kvantového výpočtu, ktoré som našiel, nájdete v tomto videu Dr. Tálie Gershon z IBM. Vo videu Gershon vysvetľuje kvantové výpočty dieťaťu, tínedžerovi, vysokoškolskému študentovi a postgraduálnemu študentovi a potom diskutuje o mýtoch a výzvach o kvantovom výpočte s profesorom Stevom Girvinom z Yale University.
S dieťaťom robí obdobu medzi drobnými a drobnými. Klasické bity sú binárne, ako haliere ležiace na stole a ukazujúce buď hlavy, alebo chvosty. Kvantové bity (qubits) sú ako haliere točiace sa na stole, ktoré by sa nakoniec mohli zrútiť do stavov, ktoré sú buď hlavami alebo chvostmi.
Pre tínedžera používa rovnakú analógiu, ale slovo pridáva superpozícia popísať stavy točiaceho sa penny. Superpozícia stavov je kvantová vlastnosť, ktorá sa bežne vyskytuje v elementárnych časticiach a v elektrónových oblakoch atómov. V populárnej vede je zvyčajnou analógiou myšlienkový experiment Schrödingerovej mačky, ktorá existuje v krabici v superponovanom kvantovom stave živých aj mŕtvych, až kým krabica nie je otvorená a nepozorujeme, že je jedna alebo druhá.
Gershon ďalej diskutuje o kvantách zapletenie s tínedžerom. To znamená, že stavy dvoch alebo viacerých zapletených kvantových objektov sú prepojené, aj keď sú oddelené.
Mimochodom, Einstein nenávidel túto myšlienku, ktorú odmietol ako „strašidelnú akciu na diaľku“, ale tento jav je skutočný a pozorovateľný experimentálne a nedávno bol dokonca vyfotografovaný. Ešte lepšie je, že svetlo zamotané do kvantových informácií bolo vysielané cez 50-kilometrové optické vlákno.
Na záver Gershon ukazuje teenagerovi prototyp kvantového počítača IBM s jeho riediacou chladničkou a diskutuje o možných aplikáciách kvantových počítačov, ako je napríklad modelovanie chemických väzieb.
Spolu s vysokoškolským študentom sa Gershon podrobnejšie zaoberá kvantovým počítačom, kvantovým čipom a riediacou chladničkou, vďaka ktorej sa teplota čipu zníži na 10 mK (milliKelvin). Gershon tiež podrobnejšie vysvetľuje kvantové zapletenie spolu s kvantovou superpozíciou a interferenciou. Konštruktívna kvantová interferencia sa v kvantových počítačoch používa na zosilnenie signálov vedúcich k správnej odpovedi a deštruktívna kvantová interferencia sa používa na zrušenie signálov vedúcich k nesprávnej odpovedi. IBM vyrába qubits zo supravodivých materiálov.
S absolventom Gershon diskutuje o možnosti použitia kvantových počítačov na urýchlenie kľúčových častí tréningu modelov hlbokého učenia. Vysvetľuje tiež, ako spoločnosť IBM používa kalibrované mikrovlnné impulzy na manipuláciu a meranie kvantového stavu (qubitov) výpočtového čipu.
Hlavné algoritmy pre kvantové výpočty (diskutované nižšie), ktoré boli vyvinuté ešte predtým, ako bol demonštrovaný čo i len jeden qubit, predpokladali dostupnosť miliónov dokonalých qubbitov odolných voči chybám a korigovaných na chyby. V súčasnosti máme počítače s 50 qubitmi a nie sú dokonalé. Nové vyvíjané algoritmy majú pracovať s obmedzeným počtom hlučných qubitov, ktoré teraz máme.
Steve Girvin, teoretický fyzik z Yale, hovorí Gershonovi o svojej práci na chybovo odolných kvantových počítačoch, ktoré zatiaľ neexistujú. Dvaja diskutujú o frustrácii z kvantovej dekoherencie - „Svoju informáciu môžete udržať iba tak dlho“ - a o základnej citlivosti kvantových počítačov na hluk z jednoduchého pozorovania. Bodli mýty, že za päť rokov kvantové počítače vyriešia zmenu podnebia, rakovinu atď. Girvin: „Momentálne sme vo fáze vákuovej trubice alebo tranzistora kvantového výpočtu a ťažko sa snažíme vynájsť kvantové integrované obvody.“
Kvantové algoritmy
Ako uviedla Gershon vo svojom videu, staršie kvantové algoritmy predpokladajú milióny dokonalých, na chyby odolných a chybovo opravených qubitov, ktoré ešte nie sú k dispozícii. Napriek tomu stojí za to diskutovať o dvoch z nich, aby pochopili ich prísľub a aké protiopatrenia je možné použiť na ochranu pred ich použitím pri kryptografických útokoch.
Groverov algoritmus
Groverov algoritmus, ktorý navrhol Lov Grover v roku 1996, nachádza inverznú funkciu funkcie v krokoch O (√N); možno ho tiež použiť na prehľadanie neusporiadaného zoznamu. Poskytuje kvadratické zrýchlenie oproti klasickým metódam, ktoré vyžadujú kroky O (N).
Medzi ďalšie aplikácie Groverovho algoritmu patrí odhad priemeru a mediánu množiny čísel, riešenie problému kolízie a kryptografické hašovacie funkcie reverzného inžinierstva. Kvôli kryptografickej aplikácii vedci niekedy navrhujú, aby sa dĺžka symetrických kľúčov zdvojnásobila, aby sa chránila pred budúcimi kvantovými útokmi.
Shorov algoritmus
Shorov algoritmus, ktorý navrhol Peter Shor v roku 1994, nachádza hlavné faktory celého čísla. Beží v polynomiálnom čase v logu (N), čím je exponenciálne rýchlejší ako klasické sito s obecným číselným poľom. Toto exponenciálne zrýchlenie sľubuje prelomenie kryptografických schém s verejným kľúčom, ako je RSA, ak by existovali kvantové počítače s „dostatkom“ qubitov (presný počet by závisel od veľkosti uvažovaného celého čísla) pri absencii kvantového šumu a ďalších kvantových -dekoherenčné javy.
Ak sa kvantové počítače niekedy stanú dostatočne veľkými a spoľahlivými na to, aby úspešne spustili Shorov algoritmus proti druhu veľkých celých čísel použitých pri šifrovaní RSA, potom by sme potrebovali nové „postkvantové“ kryptosystémy, ktoré nezávisia od náročnosti primárnej faktorizácie.
Kvantová výpočtová simulácia v spoločnosti Atos
Atos vyrába kvantový simulátor, stroj na kvantové učenie, ktorý sa chová, akoby mal 30 až 40 qubitov. Hardvérový / softvérový balík obsahuje programovací jazyk kvantovej montáže a hybridný jazyk na vysokej úrovni založený na Pythone. Toto zariadenie sa používa v niekoľkých národných laboratóriách a na technických univerzitách.
Kvantové žíhanie pri vlne D-Wave
D-Wave vyrába kvantové žíhacie systémy, ako napríklad DW-2000Q, ktoré sú trochu odlišné a menej užitočné ako kvantové počítače na všeobecné účely. Proces žíhania optimalizuje spôsobom, ktorý je podobný algoritmu stochastického gradientu klesania (SGD) populárnemu na výcvik neurónových sietí s hlbokým učením, okrem toho, že umožňuje mnoho simultánnych východiskových bodov a kvantové tunelovanie cez miestne kopce. Počítače D-Wave nemôžu spúšťať kvantové programy, ako je Shorov algoritmus.
D-Wave tvrdí, že systém DW-2000Q má až 2 048 qubitov a 6 016 spriahadiel. Na dosiahnutie tohto rozsahu používa 128 000 spojok Josephson na supravodivom kvantovom spracovávacom čipe, ochladenom na menej ako 15 mK chladiacou jednotkou na riedenie hélia. Balík D-Wave obsahuje sadu nástrojov Python s otvoreným zdrojom hostených na GitHub. DW-2000Q sa používa v niekoľkých národných laboratóriách, dodávateľoch obrany a globálnych podnikoch.
Kvantové výpočty v Google AI
Google AI robí výskum supravodivých qubitov s čipovou škálovateľnou architektúrou so zameraním na chybu dvojbitovej brány <0,5%, kvantových algoritmov pre modelovanie systémov interagujúcich elektrónov s aplikáciami v chémii a materiálových vedách, hybridných kvantovo-klasických riešení pre približnú optimalizáciu , o rámci na implementáciu kvantovej neurónovej siete na krátkodobých procesoroch a o kvantovej nadvláde.
V roku 2018 spoločnosť Google oznámila vytvorenie 72-kbitového supravodivého čipu s názvom Bristlecone. Každý qubit sa môže spojiť so štyrmi najbližšími susedmi v 2D poli. Podľa Hartmuta Nevena, riaditeľa laboratória spoločnosti Quantum Artificial Intelligence spoločnosti Google, sa kvantový výpočtový výkon zvyšuje na dvojexponenčnej krivke na základe počtu bežných CPU, ktoré laboratórium potrebuje na replikáciu výsledkov svojich kvantových počítačov.
Koncom roka 2019 spoločnosť Google oznámila, že dosiahla kvantovú prevahu, čo je stav, keď môžu kvantové počítače vyriešiť problémy, ktoré sú na klasických počítačoch neriešiteľné, pomocou nového 54-qubitového procesora s názvom Sycamore. Tím Google AI Quantum zverejnil výsledky tohto experimentu s kvantovou nadvládou v dokumente Príroda článok „Kvantová prevaha pomocou programovateľného supravodivého procesora“.
Kvantové výpočty v IBM
Vo videu, o ktorom som hovoril skôr, doktor Gershon uvádza, že „v tomto laboratóriu sedia tri kvantové počítače ktokoľvek môcť použiť." Hovorí o systémoch IBM Q, ktoré sú postavené na transmon qubitoch, v podstate niobových Josephsonových spojoch nakonfigurovaných tak, aby sa správali ako umelé atómy, riadené mikrovlnnými impulzmi, ktoré spaľujú mikrovlnné rezonátory na kvantovom čipe, ktoré zase adresujú a pripájajú sa k qubitom procesor.
IBM ponúka tri spôsoby prístupu k svojim kvantovým počítačom a kvantovým simulátorom. Pre „kohokoľvek“ existuje sada Qiskit SDK a hostovaná cloudová verzia s názvom IBM Q Experience (pozri snímku obrazovky nižšie), ktorá tiež poskytuje grafické rozhranie pre navrhovanie a testovanie obvodov. Na ďalšej úrovni, ako súčasť siete IBM Q Network, majú organizácie (univerzity a veľké spoločnosti) prístup k najvyspelejším kvantovým výpočtovým systémom a vývojovým nástrojom IBM Q.
Qiskit podporuje Python 3.5 alebo novší a beží na Ubuntu, macOS a Windows. Ak chcete odoslať program Qiskit do jedného z kvantových počítačov alebo kvantových simulátorov IBM, potrebujete poverenia IBM Q Experience. Qiskit obsahuje algoritmus a knižnicu aplikácií Aqua, ktorá poskytuje algoritmy ako Grover’s Search a aplikácie pre chémiu, AI, optimalizáciu a financie.
Spoločnosť IBM predstavila koncom roka 2019 novú generáciu systému IBM Q s 53 bitmi ako súčasť rozšírenej flotily kvantových počítačov v novom IBM Quantum Computation Center v štáte New York. Tieto počítače sú dostupné v cloude pre viac ako 150 000 registrovaných používateľov IBM a takmer 80 komerčných klientov, akademické inštitúcie a výskumné laboratóriá.
Kvantové výpočty spoločnosti Intel
Výskum v laboratóriách Intel Labs viedol priamo k vývoju supravodivého kvantového procesora Tangle Lake, ktorý obsahuje 49 qubitov v balíku vyrobenom v 300-milimetrovom výrobnom závode spoločnosti Intel v Hillsboro v Oregone. Toto zariadenie predstavuje tretiu generáciu kvantových procesorov produkovaných spoločnosťou Intel a v porovnaní s predchodcom sa zvýšil na 17 qubitov. Intel poslal procesory Tangle Lake do holandského QuTech na testovanie a prácu na dizajne na úrovni systému.
Spoločnosť Intel taktiež realizuje výskum spin qubitov, ktoré fungujú na základe rotácie jedného elektrónu v kremíku riadeného mikrovlnnými impulzmi. V porovnaní so supravodivými qubitmi sa spinové qubity oveľa viac podobajú existujúcim polovodičovým súčiastkam pracujúcim v kremíku, čo potenciálne využíva výhody existujúcich výrobných techník. Očakáva sa, že spin-qubits zostanú koherentné oveľa dlhšie ako supravodivé qubits a že zaberú oveľa menej miesta.
Kvantové výpočty v spoločnosti Microsoft
Microsoft sa výskumu kvantových počítačov venuje už viac ako 20 rokov. Vo verejnom oznámení kvantového výpočtového úsilia spoločnosti Microsoft v októbri 2017 Dr. Krysta Svore diskutovala o niekoľkých prelomoch, vrátane použitia topologických qubits, programovacieho jazyka Q # a Quantum Development Kit (QDK). Kvantové počítače spoločnosti Microsoft budú nakoniec dostupné ako koprocesory v cloude Azure.
Topologické qubits majú formu supravodivých nanodrôtov. V tejto schéme možno oddeliť časti elektrónu, čo vytvára zvýšenú úroveň ochrany informácií uložených vo fyzickom qubite. Toto je forma topologickej ochrany známa ako kvázi častica Majorana. Kvázi častica Majorana, zvláštny fermión, ktorý funguje ako vlastná anti-častica, bol predpovedaný v roku 1937 a prvýkrát ho zistili v laboratóriu Microsoft Quantum v Holandsku v roku 2012. Topologický qubit poskytuje lepší základ ako križovatky Josephson pretože má nižšiu chybovosť, čo znižuje pomer fyzických qubitov k logickým qubitom korigovaným na chyby. S týmto zníženým pomerom sa viac logických qubitov zmestí do riediacej chladničky, čo vytvára schopnosť škálovať.
Spoločnosť Microsoft rôzne odhadla, že jeden topologický majoránsky qubit má hodnotu medzi 10 a 1 000 spojovacích qubitov Josephson, čo sa týka chybovo korigovaných logických qubitov. Taliansky teoretický fyzik Ettore Majorana, ktorý predpovedal kvázi častice na základe vlnovej rovnice, zmizol za neznámych okolností počas plavby loďou z Palerma do Neapola 25. marca 1938.
