Là máy tính lượng tử gần với thực tế hơn?

Điện toán lượng tử, ý tưởng làm việc với các máy tính thể hiện các tính chất lượng tử, chẳng hạn như có thể giữ nhiều trạng thái cùng một lúc đã được thảo luận trong một thời gian dài, nhưng giờ đây dường như đang tiến gần hơn với thực tế, với một số tiến bộ lớn. Tại hội nghị Techonomy tuần trước, tôi đã có cơ hội tổ chức một hội thảo về chủ đề này với các nhà lãnh đạo của một số công ty đang đẩy mạnh phong bì về chủ đề này, bao gồm D-Wave và IBM.

Bryan Jacobs, một nhà tư vấn tại Berberian & Company, chuyên đưa ra lời khuyên về điện toán lượng tử, giải thích rằng trong tất cả các thiết bị điện tử chúng ta sử dụng ngày nay, thông tin được lưu trữ thông qua điện tích của một electron hoặc bật hoặc tắt; nói cách khác, một chút. Nhưng nếu bạn mã hóa thông tin ở trạng thái lượng tử, như một electron hoặc photon, bạn có thể ánh xạ nó thành 0 và một, giống như một bit cổ điển thông thường, nhưng cũng là chồng chập, trong đó nó có thể bằng 0 và đồng thời . Ông giải thích rằng khái niệm thú vị là nếu bạn có một máy tính lượng tử có số lượng lớn các bit lượng tử này thì thường được gọi là qubitits, bạn có thể khởi động nó trong sự chồng chất của tất cả các đầu vào có thể cùng một lúc, và sau đó, nếu bạn có thể xử lý thông tin theo cách mạch lạc lượng tử, theo một cách nào đó, bạn có thể tính toán cùng một chức năng trên tất cả các đầu vào có thể đồng thời. Nó được gọi là song song lượng tử. Ông lưu ý rằng có một vài cách tiếp cận khác nhau mà mọi người đang thử ngày nay - một là dựa trên cổng, giống như máy tính kỹ thuật số truyền thống, và cách khác giống như một quá trình tương tự, được gọi là ủ lượng tử.

Vern Brownell, Giám đốc điều hành của D-Wave Systems, đã thực sự cung cấp một số máy sử dụng ủ lượng tử, cho biết công ty của ông đã chọn sử dụng phương pháp đó trước tiên "bởi vì chúng tôi nghĩ rằng điều đó sẽ cho chúng tôi khả năng nhanh hơn bất kỳ loại lượng tử nào khác thực hiện tính toán. " Ông nói rằng D-Wave cũng đã xem xét các mô hình điện toán lượng tử khác, nhưng cách tiếp cận này là thực dụng nhất.

Anh ta giải thích rằng anh ta có một công cụ thông báo lượng tử với một ngàn qubit, có khả năng khám phá một không gian trả lời của hai khả năng khác nhau của các con số khác nhau. Về cơ bản, điều này hoạt động trên các vấn đề tối ưu hóa phức tạp và tìm kiếm năng lượng thấp nhất hoặc câu trả lời tốt nhất cho vấn đề tối ưu hóa đó. Brownell lưu ý rằng Google hiện đã nâng cấp một máy đã mua trước đây cho phòng thí nghiệm trí tuệ nhân tạo lượng tử của mình, xem xét cách thức này có thể hỗ trợ cho việc học máy. Một khách hàng khác là Lockheed, đang xem xét một vấn đề gọi là xác minh và xác nhận phần mềm.

Brownell thừa nhận rằng cả hai ví dụ này chưa thực sự đi vào sản xuất, nhưng cho biết họ đã chạy các ứng dụng thực sự đang giải quyết các vấn đề thực sự ở quy mô. Nói cách khác, họ vẫn chưa đạt đến điểm mà máy D-Wave đang vượt trội so với các siêu máy tính cổ điển, nhưng ông nói "chúng tôi rất gần với điều đó". Trong vài tháng tới, công ty sẽ cho thấy "một máy tính lượng tử có thể vượt trội hơn những gì máy tính cổ điển có thể làm được. Chúng ta đang ở điểm bản lề đó ngay bây giờ."

Mark Ritter, nhân viên nghiên cứu nổi tiếng và quản lý cấp cao của khoa khoa học vật lý tại Trung tâm nghiên cứu IBM TJ Watson, giải thích rằng nhóm của ông đang thực hiện một số dự án lượng tử khác nhau, nhưng đã tập trung vào công việc của mình về tính toán lượng tử dựa trên cổng và sửa lỗi .

Một trong những nhà lý thuyết trong nhóm của ông, ông Serge Bravyi, đã phát minh ra "một mã chẵn lẻ tôpô". Ông giải thích rằng chúng tôi cũng sử dụng mã sửa lỗi trong các máy tính truyền thống, nhưng thông tin lượng tử rất mong manh, vì vậy để tạo ra một hệ thống dựa trên cổng, bạn cần một mã để bảo vệ thông tin lượng tử dễ vỡ đó. Nhóm của ông đã tạo ra một hệ thống 4 qubit, với các qubit được gọi là "bộ truyền" có thể giữ lại một số thông tin lượng tử trong một thời gian dài hơn và với mã sửa lỗi có thể tạo ra điện toán lượng tử dựa trên cổng. Ông nói đây giống như một mạng vuông nơi các qubit nằm ở các đỉnh của giấy vẽ đồ thị; một thuật toán sau đó áp dụng mã này trên các qubit. Mục tiêu của IBM là có thể thêm ngày càng nhiều qubit vào thuật toán đó. Ông nói sớm thôi nó có thể bảo tồn trạng thái lượng tử vô thời hạn.

Ông lưu ý cách các cổng lượng tử sử dụng sự vướng víu trên tất cả các qubit và xem xét tất cả các trạng thái tiềm năng, so sánh điều này với mô hình giao thoa mà bạn thấy khi bạn thả nhiều viên đá xuống ao, và có được sự can thiệp mang tính xây dựng và phá hoại. Câu trả lời tốt nhất sẽ được can thiệp một cách xây dựng, ông nói, và câu trả lời này sẽ là câu trả lời duy nhất mà bạn kết thúc, nếu có một câu trả lời duy nhất cho vấn đề. Trong một máy tính lượng tử dựa trên cổng, ông nói, bạn có thể sử dụng sự can thiệp vào mã hóa này để có câu trả lời ở cuối quá trình, và điều này sẽ được tăng tốc theo cấp số nhân cho một số thuật toán nhất định.

Mặc dù điều này vẫn có thể là một lối thoát, Ritter cho biết mọi người cũng đang suy nghĩ về việc sử dụng các qubit để chạy mô phỏng tương tự với sự gắn kết cao, chẳng hạn như mô phỏng các phân tử khác nhau. Jacobs đồng ý về mô phỏng lượng tử, và nói về mô phỏng hóa học của các phân tử ổn định để tìm thuốc.

Tôi đã hỏi về thuật toán của Shor, điều này cho thấy rằng với một máy tính lượng tử, bạn có thể phá vỡ nhiều mật mã thông thường. Jacobs đã sử dụng sự tương tự của một con tàu tên lửa đang cố gắng đưa các phi hành gia lên mặt trăng. Jacobs cho biết thuật toán thực thi vấn đề chúng tôi đang cố gắng giải quyết, chẳng hạn như thuật toán của Shor, tương tự như mô-đun chỉ huy của tàu tên lửa, và việc sửa lỗi lỗi như nhóm của Ritter đang làm việc trên điều gì đó giống như các giai đoạn của tên lửa. Nhưng, ông nói, các loại động cơ nhiên liệu hoặc động cơ tên lửa chúng ta có ngay bây giờ không đủ cho bất kỳ tàu tên lửa kích thước nào. Ông nói rằng đây là một câu hỏi rất khó, và tất cả các chi phí liên quan đến việc tính toán lượng tử và sửa lỗi có nghĩa là nhiều thuật toán có vẻ thực sự hứa hẹn ngày nay có thể không được sử dụng. Brownell cho biết ông nghĩ rằng chúng ta có một thập kỷ trở lên trước khi máy tính lượng tử có thể phá vỡ mã hóa RSA và chúng ta sẽ phải chuyển sang mật mã sau lượng tử.

Brownell nhấn mạnh rằng mô hình cổng của máy tính lượng tử rất khác so với ủ lượng tử, và nói về sự hữu ích của nó khi giải quyết các vấn đề tối ưu hóa nhất định ngày nay. Ông cũng cho biết nó gần như có thể giải quyết các vấn đề nằm ngoài tầm với của máy tính cổ điển. Trên một số điểm chuẩn, ông lưu ý, Google đã phát hiện ra rằng máy D-Wave có thể giải quyết các vấn đề ở một nơi nào đó với tốc độ nhanh hơn 30 - 100.000 lần so với thuật toán cho mục đích chung hiện nay. Mặc dù đây không phải là một thuật toán hữu ích, ông cho biết nhóm của ông đang tập trung vào các thuật toán trường hợp sử dụng thực tế có thể tận dụng khả năng này khi bộ xử lý của nó có hiệu suất trong mỗi 12-18 tháng.

Brownell đã so sánh điện toán lượng tử ngày nay với Intel vào năm 1974 khi nó ra mắt với bộ vi xử lý đầu tiên. Lúc đó, anh ấy đã làm việc với Digital Equipment Corp và nói rằng vào thời điểm đó "chúng tôi không lo lắng lắm về Intel, bởi vì họ có những bộ vi xử lý nhỏ giá rẻ này không mạnh bằng những hộp lớn và những thứ chúng tôi có. Nhưng trong vòng mười năm, bạn biết đấy, công việc kinh doanh đã hoàn toàn biến mất và Digital đã phá sản. " Anh ấy nói rằng trong khi anh ấy không nghĩ rằng điện toán lượng tử sẽ đe dọa toàn bộ thế giới điện toán cổ điển, anh ấy hy vọng sẽ thấy những cải tiến gia tăng này trong các bộ xử lý cứ sau 18 tháng, đến mức nó sẽ là một khả năng cần thiết cho các nhà quản lý CNTT và các nhà phát triển để sử dụng.

Cụ thể, ông nói, D-Wave đã hợp tác phát triển các thuật toán học tập xác suất, một số trong số đó trong không gian học tập sâu, có thể làm tốt hơn việc nhận ra mọi thứ và trong đào tạo hơn là có thể thực hiện mà không cần tính toán lượng tử. Cuối cùng, anh thấy đây là một tài nguyên trong đám mây sẽ được sử dụng rất nhiều để khen ngợi với các máy tính cổ điển.

Ritter cho biết thật khó để so sánh bất kỳ phương pháp lượng tử nào với các máy cổ điển đang thực hiện tính toán mục đích chung, bởi vì mọi người đang chế tạo máy gia tốc, và sử dụng GPU và GPU được thiết kế cho các nhiệm vụ cụ thể. Ông nói rằng nếu bạn thực sự thiết kế một ASIC đặc biệt để giải quyết vấn đề của bạn, thì máy tính lượng tử thực với gia tốc thực sẽ đánh bại bất kỳ ai trong số họ, bởi vì mỗi qubit bạn thêm vào sẽ nhân đôi không gian cấu hình đó. Nói cách khác, đặt một nghìn qubit lại với nhau sẽ làm tăng không gian thêm gấp đôi sức mạnh ^{thứ 1000}, mà ông lưu ý là nhiều hơn số lượng nguyên tử trong vũ trụ. Và, ông nói, với một máy tính dựa trên cổng, vấn đề là các cổng hoạt động chậm hơn điện thoại di động của bạn, do đó bạn có nhiều hoạt động xảy ra cùng một lúc, nhưng mỗi hoạt động chậm hơn so với trên máy tính cổ điển. "Đó là lý do tại sao bạn phải tạo ra một cỗ máy lớn hơn trước khi bạn nhìn thấy chiếc crossover này", ông nói.

Jacobs đã chỉ ra cách tính toán lượng tử hiệu quả hơn nhiều. "Nếu bạn nhìn vào sức mạnh cần có khi sử dụng siêu máy tính siêu xanh tốt nhất thế giới, nếu bạn muốn thực hiện mô phỏng 65 qubit, thì sẽ cần khoảng một nhà máy điện hạt nhân", ông nói, "và sau đó nếu bạn muốn để làm được 66, nó sẽ cần hai nhà máy điện hạt nhân. "

Brownell cho biết với hơn 1.000 qubit, cỗ máy D-Wave hiện tại về mặt lý thuyết có thể xử lý các mô hình lên tới 2 đến 1000, tương đương từ 10 đến 300. (Để so sánh, ông nói, các nhà khoa học ước tính chỉ có khoảng 10 đến 80 nguyên tử trong vũ trụ.) Vì vậy, ông nói rằng các giới hạn về hiệu suất trên máy tính không phải do giới hạn trong quá trình ủ lượng tử, mà là giới hạn trong I / O chức năng, một vấn đề kỹ thuật đang được giải quyết trong mỗi thế hệ mới. Trên một số thuật toán điểm chuẩn, cỗ máy 1152 qubit của công ty sẽ mạnh hơn 600 lần so với những gì tốt nhất mà máy tính cổ điển có thể làm, ông tuyên bố.

Kiến trúc của D-Wave, sử dụng ma trận các qubit với các khớp nối mà theo một số cách giống như mạng thần kinh, đã có ứng dụng ban đầu để học sâu các mạng thần kinh trong học máy.

Nhưng ông cũng nói về các ứng dụng khác, chẳng hạn như chạy mô phỏng Monte Carlo tương tự, mà ông từng làm tại Goldman Sachs (nơi ông là CIO) để tính toán rủi ro giá trị. Anh ta nhớ điều này mất khoảng một triệu lõi và phải chạy qua đêm. Về mặt lý thuyết, một máy tính lượng tử có thể làm những việc tương tự với năng lượng ít hơn nhiều. Ông cho biết máy D-Wave sử dụng rất ít, nhưng cần phải chạy trong một tủ lạnh lớn duy trì nhiệt độ rất thấp (khoảng 8 milikelvin), nhưng bản thân máy chỉ mất khoảng 15-20 kW để chạy, khá nhỏ cho một trung tâm dữ liệu.

Ritter đã đề cập một ý tưởng tương tự cho mô hình dựa trên cổng và thảo luận về lấy mẫu đô thị lượng tử mà ông nói là tương đương với lượng tử Monte Carlo, nhưng với các số liệu thống kê khác nhau vì các thuộc tính vướng víu.

Nhóm của Ritter đang nghiên cứu mô phỏng tương tự lượng tử, nơi nó có thể tính toán và ánh xạ một thiết kế phân tử thành một kết nối của các qubit và nó giải quyết các chế độ lý tưởng và tất cả các hành vi của một phân tử, theo ông là rất khó khi bạn nhận được khoảng 50 electron. .

Jacobs đã thảo luận về mật mã học lượng tử, bao gồm một khóa được tạo theo cách có thể chứng minh rằng không ai nghe trong quá trình truyền tải. Ritter cho biết Charlie Bennett của IBM đã đưa ra giả thuyết về một kỹ thuật "dịch chuyển tức thời" qubit trên liên kết này sang một qubit khác trong máy, nhưng ông cho rằng các kỹ thuật như vậy đã tồn tại hơn một vài năm.

Jacobs đã chỉ ra sự khác biệt giữa điện toán cổng lượng tử và ủ lượng tử, đặc biệt là trong lĩnh vực sửa lỗi và lưu ý rằng có một phương pháp khác cũng được gọi là điện toán lượng tử tôpô mà Microsoft đang nghiên cứu.

Một thách thức thú vị là viết các ứng dụng cho các máy như vậy, mà Ritter mô tả là gửi âm ở một tần số cụ thể khiến các qubit khác nhau cộng hưởng và tương tác với nhau theo thời gian, điều này khiến cho việc tính toán xảy ra "gần giống như một bản nhạc". Ông lưu ý rằng có những ngôn ngữ cấp cao hơn, nhưng rất nhiều công việc vẫn cần một nhà lý thuyết. Jacobs lưu ý rằng có nhiều cấp độ ngôn ngữ lượng tử nguồn mở khác nhau như QASM và Quipper, cả hai đều tập trung chủ yếu vào mô hình cổng lượng tử. Brownell lưu ý rằng đã không có nhiều hoạt động về ủ nhiệt lượng tử, bởi vì nó gây tranh cãi hơn cho đến gần đây, và cho biết D-Wave đã phải tự làm rất nhiều công việc đó và đang làm việc để chuyển ngôn ngữ lên cấp độ cao hơn. Trong vòng năm năm, anh hy vọng nó sẽ dễ sử dụng như GPU hoặc loại tài nguyên cổ điển khác.