Какво представлява квантовото изчисление? Решения за невъзможни проблеми

В компютърната индустрия не липсва шум, макар че дори аз трябва да призная, че понякога технологията наистина застига обещанията. Машинното обучение е добър пример. Машинното обучение се раздвижва от 50-те години на миналия век и най-накрая стана общо полезно през последното десетилетие.

Квантовите изчисления бяха предложени през 80-те години на миналия век, но все още не са практични, въпреки че това не потисна шума. Има експериментални квантови компютри в малък брой изследователски лаборатории и няколко търговски квантови компютри и квантови симулатори, произведени от IBM и други, но дори и търговските квантови компютри все още имат малък брой кубити (което ще обясня в следващия раздел ), високи нива на разпадане и значителни количества шум.

Обяснено е квантовото изчисление

Най-ясното обяснение на квантовите изчисления, което намерих, е в това видео от д-р Талия Гершон от IBM. Във видеото Гершон обяснява квантовите изчисления на дете, тийнейджър, студент и аспирант, а след това обсъжда митовете и предизвикателствата за квантовите изчисления с професор Стив Гирвин от Йейлския университет.

На детето тя прави аналогията между бита и стотинката. Класическите битове са двоични, като стотинки, лежащи на масата, показващи или глави, или опашки. Квантовите битове ( qubits ) са като стотинки, въртящи се на масата, които в крайна сметка могат да се сринат в състояния, които са или глави, или опашки.

За тийнейджърката тя използва същата аналогия, но добавя думата суперпозиция, за да опише състоянията на въртяща се стотинка. Суперпозицията на състояния е квантово свойство, често срещано в елементарните частици и в електронните облаци на атомите. В популярната наука обичайната аналогия е мисловният експеримент на Котката на Шрьодингер, който съществува в кутията си в суперпоставено квантово състояние както на живи, така и на мъртви, докато кутията се отвори и се наблюдава, че тя е една или друга.

Гершон продължава да обсъжда квантовото заплитане с тийнейджъра. Това означава, че състоянията на два или повече заплетени квантови обекта са свързани, дори ако са разделени.

Между другото, Айнщайн мразеше тази идея, която той отхвърли като „призрачно действие от разстояние“, но явлението е реално и наблюдавано експериментално и наскоро дори беше фотографирано. Още по-добре, светлина, заплетена с квантова информация, е изпратена през 50-километрова оптична нишка.

И накрая, Гершон показва прототипа на тийнейджърския квантов компютър на IBM с неговия хладилник за разреждане и обсъжда възможните приложения на квантовите компютри, като например моделиране на химически връзки.

С колежанина Гершон влиза в повече подробности за квантовия компютър, квантовия чип и хладилника за разреждане, който намалява температурата на чипа до 10 mK (milliKelvin). Гершон също обяснява по-подробно квантовото заплитане, заедно с квантовата суперпозиция и интерференция. Конструктивната квантова интерференция се използва в квантовите компютри за усилване на сигнали, водещи до правилния отговор, а деструктивната квантова интерференция се използва за отмяна на сигнали, водещи до грешен отговор. IBM прави кубити от свръхпроводящи материали.

С студента, който е студент, Гершън обсъжда възможността за използване на квантови компютри за ускоряване на ключови части от обучението на модели за дълбоко обучение. Тя също така обяснява как IBM използва калибрирани микровълнови импулси за манипулиране и измерване на квантовото състояние (кубитите) на изчислителния чип.

Основните алгоритми за квантови изчисления (обсъдени по-долу), които са разработени преди дори един кубит да бъде демонстриран, предполагат наличието на милиони перфектни, устойчиви на грешки, коригирани грешки. В момента имаме компютри с 50 кубита и те не са перфектни. Новите алгоритми в процес на разработка са предназначени да работят с ограничения брой шумни кубити, които имаме сега.

Стив Гирвин, теоретичен физик от Йейл, разказва на Гершон за работата си по устойчиви на повреди квантови компютри, които все още не съществуват. Двамата обсъждат разочарованието от квантовата декохерентност - „Можете да запазите информацията си квантова толкова дълго“ - и съществената чувствителност на квантовите компютри към шума от простия акт на наблюдение. Те намушкаха митовете, че след пет години квантовите компютри ще решават изменението на климата, рака и. Гирвин: „В момента сме на етап вакуумна тръба или транзистор на квантовите изчисления и се борим да изобретим квантови интегрални схеми.“

Квантови алгоритми

Както Гершон споменава във видеото си, по-старите квантови алгоритми приемат милиони перфектни, устойчиви на грешки, коригирани грешки кубити, които все още не са налични. Независимо от това, струва си да обсъдим двама от тях, за да разберем обещанието си и какви контрамерки могат да бъдат използвани за защита срещу тяхното използване при криптографски атаки.

Алгоритъм на Гроувър

Алгоритъмът на Гроувър, разработен от Лов Гроувър през 1996 г., намира обратната на функция в O (√N) стъпки; може да се използва и за търсене в неуреден списък. Той осигурява квадратично ускоряване спрямо класическите методи, които се нуждаят от O (N) стъпки.

Други приложения на алгоритъма на Гроувър включват оценка на средната и медиана на набор от числа, решаване на проблема за сблъсъка и криптографски хеш функции на обратното проектиране. Поради криптографското приложение изследователите понякога предлагат удвояване на симетричните дължини на ключовете, за да се предпазят от бъдещи квантови атаки.

Алгоритъм на Шор

Алгоритъмът на Шор, разработен от Питър Шор през 1994 г., намира основните фактори на цяло число. Той работи в полиномиално време в дневника (N), което го прави експоненциално по-бърз от класическото сито с общо число. Това експоненциално ускорение обещава да наруши криптографски схеми с публичен ключ, като RSA, ако имаше квантови компютри с „достатъчно“ кубита (точният брой ще зависи от размера на цяло число, което се взема предвид) при липса на квантов шум и други квантови -декохерентни явления.

Ако квантовите компютри някога станат достатъчно големи и надеждни, за да изпълняват успешно алгоритъма на Шор срещу вида на големи цели числа, използвани в RSA криптирането, тогава ще са ни необходими нови „пост-квантови“ криптосистеми, които не зависят от трудността на първостепенното факторизиране.

Квантова изчислителна симулация в Atos

Atos прави квантов симулатор, Quantum Learning Machine, който действа така, сякаш има 30 до 40 кубита. Хардуерният / софтуерен пакет включва квантов асемблерен език за програмиране и базиран на Python хибриден език на високо ниво. Устройството се използва в няколко национални лаборатории и технически университети.

Квантово отгряване при D-Wave

D-Wave прави квантови системи за отгряване като DW-2000Q, които са малко по-различни и по-малко полезни от квантовите компютри с общо предназначение. Процесът на отгряване прави оптимизация по начин, подобен на алгоритъма за стохастично градиентно спускане (SGD), популярен за обучение на невронни мрежи с дълбоко обучение, с изключение на това, че позволява много едновременни начални точки и квантово тунелиране през местни хълмове. D-Wave компютрите не могат да изпълняват квантови програми като алгоритъма на Шор.

D-Wave твърди, че системата DW-2000Q има до 2048 кубита и 6016 куплунга. За да се достигне този мащаб, той използва 128 000 Джозефсънови кръстовища на свръхпроводящ квантов чип за обработка, охладен до по-малко от 15 mK от хладилен агент за разреждане на хелий. Пакетът D-Wave включва набор от инструменти с отворен код Python, хоствани на GitHub. DW-2000Q се използва в няколко национални лаборатории, доставчици на отбрана и глобални предприятия.

Квантови изчисления в Google AI

Google AI прави изследвания върху свръхпроводящи кубити с мащабируема архитектура, базирана на чип, насочена към грешка на две кубитови врати <0,5%, върху квантови алгоритми за моделиране на системи от взаимодействащи електрони с приложения в химията и науката за материалите, върху хибридни квантово-класически решатели за приблизителна оптимизация , относно рамка за внедряване на квантова невронна мрежа за краткосрочни процесори и за квантово надмощие.

През 2018 г. Google обяви създаването на 72-кубитов свръхпроводящ чип, наречен Bristlecone. Всеки кубит може да се свърже с четири най-близки съседи в 2D масива. Според Хартмут Невен, директор на лабораторията за квантов изкуствен интелект на Google, мощността на квантовите изчисления се увеличава с двойно експоненциална крива, въз основа на броя конвенционални процесори, от които лабораторията се нуждае, за да възпроизведе резултатите от своите квантови компютри.

В края на 2019 г. Google обяви, че е постигнал квантово надмощие, условието, при което квантовите компютри могат да решават проблеми, които са неразрешими на класическите компютри, използвайки нов 54-кубитов процесор на име Sycamore. Екипът на Google AI Quantum публикува резултатите от този експеримент с квантово надмощие в статията на Nature , „Квантово надмощие с помощта на програмируем свръхпроводящ процесор“. 

Квантови изчисления в IBM

Във видеото, което обсъдих по-рано, д-р Гершон споменава, че „В тази лаборатория седят три квантови компютъра, които всеки може да използва“. Тя се позовава на IBM Q системи, които са изградени около трансмон кубити, по същество ниобиеви връзки Джоузефсън, конфигурирани да се държат като изкуствени атоми, контролирани от микровълнови импулси, които задействат микровълновите резонатори на квантовия чип, които от своя страна се адресират и свързват към кубитите процесор.

IBM предлага три начина за достъп до своите квантови компютри и квантови симулатори. За „всеки“ има Qiskit SDK и хоствана облачна версия, наречена IBM Q Experience (вижте екранната снимка по-долу), която също предоставя графичен интерфейс за проектиране и тестване на схеми. На следващото ниво, като част от IBM Q Network, организациите (университети и големи компании) получават достъп до най-модерните квантови изчислителни системи и инструменти за разработка на IBM Q.

Qiskit поддържа Python 3.5 или по-нова версия и работи на Ubuntu, macOS и Windows. За да изпратите програма Qiskit на един от квантовите компютри на IBM или квантовите симулатори, имате нужда от идентификационни данни на IBM Q Experience. Qiskit включва алгоритъм и библиотека за приложения, Aqua, която предоставя алгоритми като Grover's Search и приложения за химия, AI, оптимизация и финанси.

IBM представи ново поколение система IBM Q с 53 кубита в края на 2019 г., като част от разширен парк от квантови компютри в новия IBM Quantum Computation Center в щата Ню Йорк. Тези компютри са достъпни в облака за над 150 000 регистрирани потребители на IBM и близо 80 търговски клиенти, академични институции и изследователски лаборатории.

Квантови изчисления в Intel

Изследванията в Intel Labs доведоха директно до разработването на Tangle Lake, свръхпроводящ квантов процесор, който включва 49 кубита в пакет, произведен в 300-милиметровия завод на Intel в Хилсборо, Орегон. Това устройство представлява третото поколение квантови процесори, произведени от Intel, мащабиращо се нагоре от 17 кубита в своя предшественик. Intel изпрати процесори Tangle Lake на QuTech в Холандия за тестване и работа по дизайн на системно ниво.

Intel също прави изследвания върху спинови кубити, които функционират на базата на спина на единичен електрон в силиций, контролиран от микровълнови импулси. В сравнение със свръхпроводящите кубити, спиновите кубити много по-наподобяват съществуващите полупроводникови компоненти, работещи в силиций, като потенциално се възползват от съществуващите техники за производство. Очаква се спиновите кубити да останат кохерентни далеч по-дълго от свръхпроводящите кубити и да заемат много по-малко място.

Квантови изчисления в Microsoft

Microsoft изследва квантовите компютри повече от 20 години. В публичното съобщение за усилията на Microsoft за квантови изчисления през октомври 2017 г. д-р Krysta Svore обсъди няколко пробива, включително използването на топологични кубити, езика за програмиране Q # и Quantum Development Kit (QDK). В крайна сметка квантовите компютри на Microsoft ще бъдат на разположение като копроцесори в облака Azure.

Топологичните кубити са под формата на свръхпроводящи нанопроводи. В тази схема части от електрона могат да бъдат разделени, създавайки повишено ниво на защита на информацията, съхранявана във физическия кубит. Това е форма на топологична защита, известна като квазичастица Majorana. Квазичастицата Majorana, странен фермион, който действа като собствена античастица, беше предсказана през 1937 г. и беше открита за първи път в лабораторията на Microsoft Quantum в Холандия през 2012 г. Топологичният кубит осигурява по-добра основа от кръстовищата на Josephson тъй като има по-ниски нива на грешки, намалявайки съотношението между физическите кубити и логическите коригирани грешки. С това намалено съотношение, по-логичните кубити могат да се поберат в хладилника за разреждане, създавайки способността за мащабиране.

Microsoft по различен начин е изчислил, че един топологичен кубит Majorana струва между 10 и 1000 кубита на Josephson junction по отношение на коригирани с грешки логически кубити. Като страна настрана, Еторе Майорана, италианският физик-теоретик, който предсказва квазичастицата въз основа на вълново уравнение, изчезва при неизвестни обстоятелства по време на пътуване с кораб от Палермо до Неапол на 25 март 1938 г.