Programmering

Hvad er quantum computing? Løsninger på umulige problemer

Der mangler ikke hype i computerbranchen, selvom jeg selv må indrømme, at teknologien undertiden ikke holder løfterne. Maskinindlæring er et godt eksempel. Maskinindlæring er blevet hypet siden 1950'erne og er endelig blevet generelt nyttig i det sidste årti.

Quantum computing blev foreslået i 1980'erne, men er stadig ikke praktisk, selvom det ikke har dæmpet hype. Der er eksperimentelle kvantecomputere på et lille antal forskningslaboratorier og et par kommercielle kvantecomputere og kvantesimulatorer produceret af IBM og andre, men selv de kommercielle kvantecomputere har stadig et lavt antal qubits (som jeg vil forklare i næste afsnit ), høje nedbrydningshastigheder og betydelige mængder støj.

Quantum computing forklaret

Den klareste forklaring på kvantecomputer, som jeg har fundet, er i denne video af Dr. Talia Gershon fra IBM. I videoen forklarer Gershon kvantecomputer til et barn, en teenager, en universitetsstuderende og en kandidatstuderende og drøfter derefter kvanteberegningsmyter og udfordringer med professor Steve Girvin fra Yale University.

Til barnet gør hun analogien mellem bits og øre. Klassiske bits er binære, som øre der ligger på bordet og viser enten hoveder eller haler. Kvantumbit (qubits) er som øre, der spinder på bordet, som til sidst kan kollapse i stater, der enten er hoveder eller haler.

Til teenageren bruger hun den samme analogi, men tilføjer ordet superposition til at beskrive tilstandene for en spindende øre. Superposition af tilstande er en kvanteegenskab, der ofte ses i elementære partikler og i atoms elektronskyer. I populærvidenskab er den sædvanlige analogi tankeeksperimentet med Schrödinger's Cat, der findes i sin kasse i en overlejret kvantetilstand af både levende og døde, indtil kassen er åben, og den observeres at være den ene eller den anden.

Gershon fortsætter med at diskutere kvante indvikling med teenageren. Dette betyder, at staterne i to eller flere sammenfiltrede kvanteobjekter er forbundet, selvom de er adskilt.

Forresten hadede Einstein denne idé, som han afviste som "uhyggelig handling på afstand", men fænomenet er reelt og observerbart eksperimentelt og er for nylig endda blevet fotograferet. Endnu bedre er lys, der er viklet ind med kvanteinformation, sendt over en 50 kilometer optisk fiber.

Endelig viser Gershon teenageren IBMs kvantecomputerprototype med dens fortyndingskøleskab og diskuterer mulige anvendelser af kvantecomputere, såsom modellering af kemiske bindinger.

Med universitetsstuderende går Gershon nærmere på kvantecomputeren, kvantechippen og fortyndingskøleskabet, der tager temperaturen på chippen ned til 10 mK (milliKelvin). Gershon forklarer også kvanteindvikling mere detaljeret sammen med kvantesuperposition og interferens. Konstruktiv kvanteinterferens bruges i kvantecomputere til at forstærke signaler, der fører til det rigtige svar, og destruktiv kvanteinterferens bruges til at annullere signaler, der fører til det forkerte svar. IBM fremstiller qubits af superledende materialer.

Med studerende diskuterer Gershon muligheden for at bruge kvantecomputere til at fremskynde vigtige dele af uddannelsen af ​​dyb læringsmodeller. Hun forklarer også, hvordan IBM bruger kalibrerede mikrobølgeimpulser til at manipulere og måle computertipens kvantetilstand (qubits).

De vigtigste algoritmer til kvanteberegning (diskuteret nedenfor), som blev udviklet, før der blev demonstreret endnu en qubit, antog tilgængeligheden af ​​millioner af perfekte, fejltolerante, fejlkorrigerede qubits. Vi har i øjeblikket computere med 50 qubits, og de er ikke perfekte. Nye algoritmer under udvikling er beregnet til at arbejde med det begrænsede antal støjende qubits, vi har nu.

Steve Girvin, en teoretisk fysiker fra Yale, fortæller Gershon om sit arbejde med fejltolerante kvantecomputere, som endnu ikke findes. De to diskuterer frustrationen ved kvantedekoherens - "Du kan kun beholde din informationskvante så længe" - og kvantecomputernes vigtige følsomhed over for støj fra den enkle handling at blive observeret. De tog et stik i myterne om, at kvantecomputere om fem år vil løse klimaforandringer, kræft og. Girvin: "Vi er i øjeblikket på vakuumrør- eller transistorstadiet i kvanteberegning, og vi kæmper for at opfinde kvanteintegrerede kredsløb."

Kvantealgoritmer

Som Gershon nævnte i sin video antager de ældre kvantealgoritmer millioner af perfekte, fejltolerante, fejlkorrigerede qubits, som endnu ikke er tilgængelige. Ikke desto mindre er det værd at diskutere to af dem for at forstå deres løfte, og hvilke modforanstaltninger der kan bruges til at beskytte mod deres anvendelse i kryptografiske angreb.

Grovers algoritme

Grovers algoritme, udtænkt af Lov Grover i 1996, finder det inverse af en funktion i O (√N) trin; det kan også bruges til at søge på en ikke-ordnet liste. Det giver en kvadratisk hastighed over klassiske metoder, der har brug for O (N) trin.

Andre anvendelser af Grovers algoritme inkluderer estimering af middelværdien og medianen af ​​et sæt tal, løsning af kollisionsproblemet og reverse engineering af kryptografiske hashfunktioner. På grund af den kryptografiske anvendelse foreslår forskere undertiden, at symmetriske nøgellængder fordobles for at beskytte mod fremtidige kvanteangreb.

Shors algoritme

Shors algoritme, udtænkt af Peter Shor i 1994, finder de vigtigste faktorer for et heltal. Det kører i polynomial tid i log (N), hvilket gør det eksponentielt hurtigere end den klassiske generelle talfelt sigte. Denne eksponentielle hastighed lover at bryde kryptografisystemer med offentlig nøgle, såsom RSA, hvis der var kvantecomputere med "nok" qubits (det nøjagtige antal ville afhænge af størrelsen på det heltal, der blev indregnet) i fravær af kvantestøj og andet kvante -dekohærensfænomener.

Hvis kvantecomputere nogensinde bliver store og pålidelige nok til at køre Shors algoritme med succes mod den slags store heltal, der bruges i RSA-kryptering, ville vi have brug for nye "post-quantum" kryptosystemer, der ikke afhænger af vanskeligheden ved primær faktorisering.

Quantum computing simulation på Atos

Atos laver en kvantesimulator, Quantum Learning Machine, der fungerer som om den har 30 til 40 qubits. Hardware / softwarepakken indeholder et programmeringssprog for kvantesamling og et Python-baseret hybridniveau på højt niveau. Enheden er i brug på et par nationale laboratorier og tekniske universiteter.

Kvanteudglødning ved D-Wave

D-Wave fremstiller kvanteudglødningssystemer som DW-2000Q, som er lidt anderledes og mindre nyttige end kvantecomputere til almindelige formål. Udglødningsprocessen optimerer på en måde, der svarer til den stokastiske gradientafstamningsalgoritme (SGD), der er populær til træning af dyb læring neurale netværk, bortset fra at den giver mulighed for mange samtidige startpunkter og kvantetunnel gennem lokale bakker. D-Wave-computere kan ikke køre kvanteprogrammer såsom Shors algoritme.

D-Wave hævder, at DW-2000Q-systemet har op til 2.048 qubits og 6.016 koblinger. For at nå denne skala bruger den 128.000 Josephson-kryds på en superledende kvantebehandlingschip, afkølet til mindre end 15 mK af et køleskab med heliumfortynding. D-Wave-pakken inkluderer en pakke med open source Python-værktøjer, der hostes på GitHub. DW-2000Q er i brug på nogle få nationale laboratorier, forsvarsentreprenører og globale virksomheder.

Kvantecomputering hos Google AI

Google AI forsker i superledende qubits med chipbaseret skalerbar arkitektur, der målretter to-qubit gate-fejl <0,5%, på kvantealgoritmer til modelleringssystemer af interagerende elektroner med applikationer inden for kemi og materialevidenskab, på hybride kvante-klassiske solvere til omtrentlig optimering , om en ramme til implementering af et kvante-neuralt netværk på kortvarige processorer og om kvanteoverherredømme.

I 2018 annoncerede Google oprettelsen af ​​en 72-qubit superledende chip kaldet Bristlecone. Hver qubit kan forbinde med fire nærmeste naboer i 2D-arrayet. Ifølge Hartmut Neven, direktør for Googles Quantum Artificial Intelligence-laboratorium, stiger kvantecomputerkraft på en dobbelteksponentiel kurve baseret på antallet af konventionelle CPU'er, som laboratoriet har brug for for at replikere resultater fra deres kvantecomputere.

I slutningen af ​​2019 annoncerede Google, at de havde opnået kvanteoverherredømme, den tilstand, hvor kvantecomputere kan løse problemer, der er umulige at bruge på klassiske computere, ved hjælp af en ny 54-qubit processor ved navn Sycamore. Google AI Quantum - teamet offentliggjorde resultaterne af dette quantum supremacy - eksperiment i Natur artikel, "Quantum Supremacy Brug af en programmerbar superledende processor."

Kvantecomputer hos IBM

I videoen, som jeg diskuterede tidligere, nævner Dr. Gershon, at ”Der sidder tre kvantecomputere i dette laboratorium nogen som helst kan bruge." Hun henviser til IBM Q-systemer, der er bygget op omkring transmon-qubits, i det væsentlige Josephson-knudepunkter, der er konfigureret til at opføre sig som kunstige atomer, styret af mikrobølgepulser, der affyrer mikrobølgeresonatorer på kvantechippen, som igen adresserer og kobles til qubits på processor.

IBM tilbyder tre måder at få adgang til sine kvantecomputere og kvantesimulatorer. For "enhver" er der Qiskit SDK og en hostet skyversion kaldet IBM Q Experience (se skærmbillede nedenfor), som også giver en grafisk grænseflade til design og test af kredsløb. På det næste niveau, som en del af IBM Q Network, får organisationer (universiteter og store virksomheder) adgang til IBM Qs mest avancerede kvantecomputersystemer og udviklingsværktøjer.

Qiskit understøtter Python 3.5 eller nyere og kører på Ubuntu, macOS og Windows. For at sende et Qiskit-program til en af ​​IBMs kvantecomputere eller kvantesimulatorer har du brug for IBM Q Experience-legitimationsoplysninger. Qiskit inkluderer et algoritme- og applikationsbibliotek, Aqua, som leverer algoritmer som Grovers Search og applikationer til kemi, AI, optimering og finansiering.

IBM afslørede en ny generation af IBM Q-system med 53 qubits i slutningen af ​​2019 som en del af en udvidet flåde af kvantecomputere i det nye IBM Quantum Computation Center i staten New York. Disse computere er tilgængelige i skyen til IBMs over 150.000 registrerede brugere og næsten 80 kommercielle kunder, akademiske institutioner og forskningslaboratorier.

Quantum computing hos Intel

Forskning hos Intel Labs har ført direkte til udviklingen af ​​Tangle Lake, en superledende kvanteprocessor, der inkorporerer 49 qubits i en pakke, der er fremstillet på Intels 300-millimeter fabrikationsanlæg i Hillsboro, Oregon. Denne enhed repræsenterer tredje generation af kvanteprocessorer produceret af Intel og skaleres op fra 17 qubits i sin forgænger. Intel har sendt Tangle Lake-processorer til QuTech i Holland til test og arbejde med design på systemniveau.

Intel forsker også på spin qubits, som fungerer på basis af centrifugeringen af ​​en enkelt elektron i silicium, styret af mikrobølgeimpulser. Sammenlignet med superledende qubits ligner spin qubits meget tættere på eksisterende halvlederkomponenter, der fungerer i silicium, hvilket potentielt drager fordel af eksisterende fabrikationsteknikker. Spin qubits forventes at forblive sammenhængende langt længere end superledende qubits og tage meget mindre plads.

Quantum computing hos Microsoft

Microsoft har forsket i kvantecomputere i over 20 år. I den offentlige meddelelse om Microsofts kvantecomputerindsats i oktober 2017 drøftede Dr. Krysta Svore flere gennembrud, herunder brugen af ​​topologiske qubits, Q # programmeringssprog og Quantum Development Kit (QDK). Til sidst vil Microsoft-kvantecomputere være tilgængelige som co-processorer i Azure-skyen.

De topologiske qubits har form af superledende nanotråde. I dette skema kan dele af elektronen adskilles, hvilket skaber et øget beskyttelsesniveau for de oplysninger, der er gemt i den fysiske qubit. Dette er en form for topologisk beskyttelse kendt som en Majorana kvasi-partikel. Majorana kvasi-partiklen, en underlig fermion, der fungerer som sin egen anti-partikel, blev forudsagt i 1937 og blev påvist for første gang i Microsoft Quantum-laboratoriet i Holland i 2012. Den topologiske qubit giver et bedre fundament end Josephson-krydsene. da det har lavere fejlrater, hvilket reducerer forholdet mellem fysiske qubits og logiske, fejlkorrigerede qubits. Med dette reducerede forhold kan mere logiske qubits passe ind i fortyndingskøleskabet, hvilket skaber evnen til at skalere.

Microsoft har forskelligt estimeret, at en topologisk Majorana qubit er værd mellem 10 og 1.000 Josephson junction qubits med hensyn til fejlkorrigerede logiske qubits. Som en sidebemærkning forsvandt Ettore Majorana, den italienske teoretiske fysiker, der forudsagde kvasipartiklen baseret på en bølgeligning, under ukendte omstændigheder under en bådtur fra Palermo til Napoli den 25. marts 1938.