האם מחשוב קוונטי קרוב יותר למציאות?

מחשוב קוונטי - הרעיון של עבודה עם מחשבים המראים תכונות קוונטיות, כמו היכולת להחזיק מספר מצבים בו זמנית - נידון כבר זמן רב, אך נראה כי כעת הוא מתקרב למציאות, עם כמה התקדמות גדולה. בכנס הטכונומיה בשבוע שעבר הייתה לי הזדמנות לארח פאנל בנושא עם מנהיגים של כמה מהחברות שדוחפות את המעטפה בנושא זה, כולל D-Wave ו- IBM.

בריאן ג'ייקובס, יועץ בחברת Berberian & Company, המציע ייעוץ בנושא מחשוב קוונטי, הסביר כי בכל האלקטרוניקה בה אנו משתמשים כיום מידע נשמר באמצעות מטען האלקטרון שנמצא מופעל או כבוי; במילים אחרות, קצת. אבל אם מקודד את המידע במצב קוונטי, כמו אלקטרון בודד או פוטון, אתה יכול למפות את זה לאפס ולאחד, ממש כמו ביט קלאסי רגיל, אבל גם סופרפוזיציה, שם הוא יכול להיות אפס ואחד בו זמנית. הוא הסביר שהרעיון המעניין הוא שאם יש לך מחשב קוונטי שיש בו מספר גדול של ביטים קוונטיים אלה - המכונים לעתים קרובות qubits - אתה יכול להפעיל אותו בסופרפוזיציה של כל התשומות האפשריות בו זמנית, ואז, אם אתה יכול לעבד מידע בצורה קוהרנטית קוונטית, במובן מסוים ניתן לחשב את אותה פונקציה בכל התשומות האפשריות בו זמנית. זה מכונה הקבלה קוונטית. הוא ציין שיש כמה גישות שונות שאנשים מנסים כיום - האחת מבוססת שער, הדומה יותר למחשבים דיגיטליים מסורתיים, והשנייה דומה לסוג של תהליך אנלוגי, המכונה חישול קוונטי.

ורן בראונל, מנכ"ל D-Wave Systems, שמסרה למעשה כמה מכונות המשתמשות בחישול קוונטי, אמר כי החברה שלו בחרה להשתמש בגישה זו קודם "מכיוון שחשבנו שזה הולך לתת לנו יכולת מהירה יותר מכל סוג קוונטי אחר יישום מחשוב. " הוא אמר ש- D-Wave הביט גם במודלים אחרים של מחשוב קוונטי, אך גישה זו הייתה הפרגמטית ביותר.

הוא הסביר שביעילות יש לו מכונה חישול קוונטית עם אלף קוביות, המסוגלות לחקור מרחב תשובות של שניים למספר הקוויצ'ים אפשרויות שונות. בעיקרון זה עובד על בעיות אופטימיזציה מורכבות, ונראה למצוא את האנרגיה הנמוכה ביותר או את התשובה הטובה ביותר לבעיית אופטימיזציה זו. בראונל ציין כי גוגל שידרגה כעת מכונה שנרכשה בעבר למעבדת הבינה המלאכותית שלה, ובדקה כיצד הדבר יכול לסייע בלימוד מכונות. לקוח אחר הוא לוקהיד, שבודק בעיה הנקראת אימות ותיקוף תוכנה.

בראונל הודה כי אף אחת מהדוגמאות הללו לא יצאה עדיין לייצור, אך אמרה שהם הפעילו יישומים אמיתיים הפותרים בעיות אמיתיות בקנה מידה. במילים אחרות, הם עדיין לא הגיעו למצב שמכונת D-Wave עולה על ביצועים טובים יותר ממחשבי-על קלאסיים, אבל הוא אמר "אנחנו מאוד קרובים לזה". בחודשים הקרובים תציג החברה "כי מחשב קוונטי יכול להעלות על ביצועים טובים ביותר מהמחשוב הקלאסי יכול לעשות. אנחנו בנקודת הציר הזו ברגע זה."

מארק ריטר, איש צוות מחקר ומכובד במחלקה למדעי הפיזיקה במרכז המחקר IBM TJ Watson, הסביר כי הצוות שלו מבצע מספר פרויקטים קוונטיים שונים, אך מיקד את עבודתו על מחשוב קוונטי מבוסס שער ותיקון שגיאות..

אחד התיאורטיקנים בצוותו, סרגיי בראווי, המציא "קוד זוגיות טופולוגי". הוא הסביר שאנו משתמשים גם בקודי תיקון שגיאות במחשבים מסורתיים, אך מידע קוונטי הוא שברירי מאוד, כך שכדי ליצור מערכת מבוססת שער, אתה צריך קוד שיגן על המידע הקוונטי השברירי הזה. הצוות שלו יצר מערכת של 4 ריבועיות, עם קוויביטים המכונים "טרנסונים" שיכולים לשמור על חלק מהמידע הקוונטי לתקופה ארוכה יותר ועם קוד תיקון השגיאה יכול ליצור מחשוב קוונטי מבוסס שער. הוא אמר שזה כמו סריג מרובע שבו הקוויביטים נמצאים בקודקודיו של נייר גרף; אלגוריתם ואז מעביר את הקוד הזה על פני ה- qubits. המטרה של יבמ היא להיות מסוגלת להוסיף עוד ועוד קווביטים לאלגוריתם הזה. הוא אמר בקרוב שהיא תוכל לשמור על מצב הקוונטים ללא הגבלת זמן.

הוא ציין כיצד שערים קוונטיים משתמשים בהסתבכות על פני כל הקוויביטים ומסתכלים על כל המצבים הפוטנציאליים, והשווה את זה לדפוס ההפרעות שאתה רואה כשאתה מפיל אבנים רבות בבריכה ומקבל הפרעה בונה והרסנית. התשובה הטובה ביותר תפריע באופן קונסטרוקטיבי, אמר, והתשובה הזו תהיה התשובה היחידה שתצליח להגיע אליה, אם תהיה תשובה יחידה לבעיה. במחשב קוונטי מבוסס שער, הוא אמר, אתה יכול להשתמש בהפרעה בקידוד זה כדי לקבל תשובה בסוף התהליך, וכי יש לזרז את האקספוננציאלית לאלגוריתמים מסוימים.

למרות שזה עדיין יכול להיות רחוק, אמר ריטר שאנשים חושבים גם להשתמש בקוויביטים להפעלת הדמיות אנלוגיות בעלות קוהרנטיות גבוהה, כמו הדמיה של מולקולות שונות. ג'ייקובס הסכים על הדמיית קוונטים, ודיבר על הדמיות כימיות של מולקולות יציבות למציאת תרופות.

שאלתי על האלגוריתם של שור, שמציע כי בעזרת מחשב קוונטי, אתה יכול לשבור הרבה מהקריפטוגרפיה המקובלת. ג'ייקובס השתמש באנלוגיה של ספינת טילים שניסתה לשלוח אסטרונאוטים לירח. ג'ייקובס אמר כי האלגוריתם שמבצע את הבעיה שאנו מנסים לפתור, כמו האלגוריתם של שור, דומה למודול הפקודה של ספינת הרקטות וכי תיקון השגיאות - כמו למשל צוות הצוות של ריטר עובד - הוא כמו השלבים של הרקטה. אבל, הוא אמר, סוגי מנועי הדלק או מנוע הטילים שיש לנו כרגע אינם מספיקים לספינת טילים בגודל כלשהו. הוא אמר שזו שאלה מאוד מסובכת, ושכל התקורה הקשורה לביצוע חישובי הקוונטים ותיקון השגיאה פירושה שרבים מהאלגוריתמים שנראים מבטיחים ממש היום עלולים שלא לצאת החוצה. בראונל אמר שהוא חושב שיש לנו עשור ויותר לפני שמחשבי קוונטים יוכלו לשבור את הצפנת RSA ונצטרך לעבור להצפנה לאחר הקוונטים.

בראונל הדגיש כי מודל השער של מחשוב קוונטי שונה מאוד מחישול קוונטי, ודיבר על כמה הוא מועיל בעת פיתרון בעיות אופטימיזציה מסוימות כיום. הוא גם אמר שזה יכול כמעט לפתור בעיות שהם מעבר ליכולתם של מחשבים קלאסיים. בכמה מדדים, הוא ציין, גוגל גילה שמכונת D-Wave יכולה לפתור בעיות איפשהו בסדר גודל של 30-100, 000x מהר יותר מאלגוריתם לשימוש כללי. אמנם לא מדובר באלגוריתם שימושי, אך לדבריו, הצוות שלו מתמקד באלגוריתמים המקרים של השימוש בפועל שיכולים לנצל יכולת זו כאשר מעבד המדרגה מתפקד כל 12-18 חודשים.

בראונל השווה היום את המחשוב הקוונטי לאינטל בשנת 1974, כאשר יצא עם המעבד הראשון. הוא היה עם חברת ציוד דיגיטלי באותה נקודה, ואמר שבאותה עת "לא היינו מודאגים במיוחד מאינטל, מכיוון שהיו להם את המעבדים הקטנים והזולים האלה שלא היו כמעט חזקים כמו הקופסאות הגדולות האלה שהיו לנו. אבל תוך עשר שנים, אתה יודע, העסקים נעלמו לחלוטין ודיגיטל יצאה מהעסק. " הוא אמר שלמרות שהוא לא חשב שהמחשוב הקוונטי יאיים על כל עולם המחשוב הקלאסי, הוא אכן מצפה לראות את השיפורים המצטברים הללו במעבדים כל 18 חודשים, עד לנקודה בה זו תהיה יכולת שתידרש למנהלי IT ומפתחים לשימוש.

בפרט, הוא אמר, D-Wave פיתחה יחד אלגוריתמים למידה הסתברותית, חלקם במרחב הלמידה העמוק, שיכולים לעשות עבודה טובה יותר בזיהוי דברים ובאימונים ממה שניתן לעשות ללא מחשוב קוונטי. בסופו של דבר, הוא רואה בכך משאב בענן שישמש מאוד את המחאה למחשבים קלאסיים.

ריטר אמר שקשה באמת להשוות בין שיטות קוונטיות מול מכונות קלאסיות שמבצעות מחשוב לשימוש כללי, מכיוון שאנשים מייצרים מאיצים, ומשתמשים ב- GPU ו- FPGA המיועדים למשימות ספציפיות. הוא אמר שאם תכננת למעשה ASIC שהיה ספציפי לפיתרון הבעיה שלך, מחשוב קוונטי אמיתי עם תאוצה אמיתית צריך לנצח את אחד מהם, מכיוון שכל קווביט שתוסיף מכפיל את שטח התצורה. במילים אחרות, הצבת אלף קילוביטס צריכה להגדיל את המרחב בעוצמה של 2X1, 000, וזה ציין שהוא יותר ממספר האטומים ביקום. וכן, הוא אמר, עם מחשב מבוסס שער, הבעיה היא שהשערים פועלים לאט יותר מהטלפון הנייד שלך, כך שיש לך יותר פעולות שמתרחשות בבת אחת, אבל כל פעולה איטית יותר מאשר במחשב קלאסי. "זו הסיבה שאתה צריך לייצר מכונה גדולה יותר לפני שתראה את המעבר הזה, " אמר.

ג'ייקובס ציין עד כמה יכול להיות מחשוב קוונטי יעיל יותר. "אם אתה מסתכל על הכוח שנדרש באמצעות מחשבי העל הירוקים הסופר הטובים ביותר בעולם, אם היית רוצה לבצע סימולציה של 65 קילובייט, זה ידרוש בערך תחנת כוח גרעינית אחת, " הוא אמר, "ואז אם אתה רוצה לעשות 66 זה ידרוש שתי תחנות כוח גרעיניות."

בראונל אמר שעם יותר מ -1, 000 קווביט, מכונה D-Wave הנוכחית יכולה להתמודד באופן תיאורטי עם דגמים של עד 2 ל -1000, כלומר 10 ל -300. (לשם השוואה, הוא אמר, מדענים מעריכים שיש רק בערך 10 עד 80 אטומים ביקום.) אז הוא אומר שהמגבלות בביצועים במחשב לא נובעות ממגבלות בחישול קוונטי, אלא מגבלה ב- I פונקציות / O, סוגיה הנדסית שמטופלת בכל דור חדש. בכמה מאלגוריתמים המידתיים, מכונת 1152 הרבעון של החברה צריכה להיות חזקה פי 600 מהטובה ביותר שבמחשבים הקלאסיים יכולים לעשות, לטענתו.

הארכיטקטורה של D-Wave, המשתמשת במטריקס של קוויביטים עם צימודים הדומים במובנים מסוימים לרשת עצבית, יישום ראשוני על רשתות עצביות למידה עמוקה בלימוד מכונות.

אבל הוא דיבר גם על יישומים אחרים, כמו הפעלת המקבילה של הדמיות מונטה קרלו, שנהג לעשות בגולדמן סאקס (שם היה המנכ"ל) לחישובי סיכון ערכי. הוא נזכר בזה שלקח כמיליון ליבות ונאלץ לרוץ בן לילה. תיאורטית, מחשב קוונטי יכול לעשות דברים דומים עם הרבה פחות אנרגיה. הוא אמר שמכונת D-Wave משתמשת במעט מאוד, אך צריכה לפעול במקרר גדול ששומר על טמפרטורות נמוכות מאוד (בערך 8 מיליקלין), אך למכונה עצמה לוקח רק כ-15-20 קילוואט כדי להפעיל, שהיא די קטנה למרכז נתונים.

ריטר ציין רעיון דומה למודל מבוסס השער, ודן בדגימה של מטרופולין קוונטי שלדבריו הוא המקבילה למונטה קרלו הקוונטית, אך עם נתונים סטטיסטיים שונים בגלל תכונות ההסתבכות.

הצוות של ריטר עובד על הדמיה אנלוגית קוונטית, שם הוא יכול לחשב ולמפות תכנון מולקולרי לחיבור של קוויביטים ולגרום לו לפתור את המצבים האידיאליים ואת כל ההתנהגויות של מולקולה, שלדבריו קשה מאוד ברגע שתגיעו לחמישים אלקטרונים..

ג'ייקובס דן בקריפטוגרפיה קוונטית, הכוללת מפתח שנוצר באופן שיכול להוכיח שאיש לא הקשיב להעברה. ריטר אמר כי צ'רלי בנט של יבמ תיאוריה של טכניקה ל"ביצוע טלפורציה "של הקיטביט בקישור לקוביט אחר במכונה, אך אמר כי הוא חושב שטכניקות כאלה הן יותר ממספר שנים.

ג'ייקובס ציין את ההבדלים בין מחשוב שער קוונטי לחישול קוונטי, במיוחד בתחומי תיקון השגיאות, וציין כי קיימת שיטה אחרת כמו גם מחשוב קוונטי טופולוגי עליו מיקרוסופט עובדת.

אתגר מעניין אחד הוא כתיבת יישומים למכונות כאלה, שאותה תיאר ריטר כשיגור צלילים בתדר ספציפי הגורם לקוויביטים השונים להדהד ולתקשר זה עם זה בזמן, מה שגורם לחישוב להתרחש "כמעט כמו ציון מוזיקלי". הוא ציין כי קיימות שפות ברמה הגבוהה יותר, אך עדיין עבודה רבה דורשת תיאורטיקן. ג'ייקובס ציין כי קיימות רמות שונות של שפות קוונטיות בקוד פתוח כמו QASM ו- Quipper, שתיהן מתמקדות במידה רבה במודל שער הקוונטים. בראונל ציין שלא הייתה כל כך הרבה פעילות בנושא חישול קוונטי, מכיוון שזה היה שנוי במחלוקת עד לאחרונה, ואמר ש- D-Wave נאלץ לעשות הרבה מהעבודה הזו בעצמה, והיא עובדת על העברת שפות לרמות גבוהות יותר. תוך חמש שנים הוא מקווה שיהיה קל לשימוש כמו GPU או משאב קלאסי מסוג אחר.