Komt quantum computing dichter bij de realiteit?

Kwantumcomputing - het idee om te werken met computers die kwantumeigenschappen vertonen, zoals het tegelijkertijd kunnen vasthouden van meerdere toestanden - is al lang besproken, maar lijkt nu dichter bij de realiteit te komen, met enkele grote vorderingen. Tijdens de Techonomy-conferentie van vorige week had ik de gelegenheid om een ​​panel over dit onderwerp te organiseren met leiders van enkele bedrijven die de grenzen van dit onderwerp verleggen, waaronder D-Wave en IBM.

Bryan Jacobs, een consultant bij Berberian & Company, die advies geeft over quantum computing, legde uit dat in alle elektronica die we vandaag gebruiken, informatie wordt opgeslagen via de lading van een elektron dat aan of uit staat; met andere woorden, een beetje. Maar als je de informatie in een kwantumtoestand codeert, zoals een enkel elektron of een foton, kun je dat in een nul en een in kaart brengen, net als een normaal klassiek bit, maar ook een superpositie, waar het tegelijkertijd nul en één kan zijn. Hij legde uit dat het interessante idee is dat als je een kwantumcomputer hebt met een groot aantal van deze kwantumbits - vaak qubits genoemd - je het kunt starten in een superpositie van alle mogelijke ingangen op hetzelfde moment, en dan, als je kunt informatie op een kwantum-coherente manier verwerken, in zekere zin kunt u dezelfde functie op alle mogelijke ingangen tegelijkertijd berekenen. Het staat bekend als kwantumparallellisme. Hij merkte op dat er een aantal verschillende benaderingen zijn die mensen vandaag proberen - de ene is gebaseerd op poorten, wat meer lijkt op traditionele digitale computers, en de andere is een beetje vergelijkbaar met een analoog proces, bekend als kwantum gloeien.

Vern Brownell, CEO van D-Wave Systems, die eigenlijk een paar machines heeft geleverd die kwantumgloeien gebruiken, zei dat zijn bedrijf ervoor koos om die aanpak als eerste te gebruiken "omdat we dachten dat dat ons sneller dan elk ander type quantum zou kunnen helpen computerimplementatie. " Hij zei dat D-Wave ook naar andere modellen van quantum computing keek, maar deze aanpak was de meest pragmatische.

Hij legde uit dat hij effectief een kwantum-annealer heeft met duizend qubits, die in staat zijn om een ​​antwoordruimte te verkennen van twee verschillende qubits-mogelijkheden. In wezen werkt dit bij complexe optimalisatieproblemen en wordt gezocht naar de laagste energie of het beste antwoord voor dat optimalisatieprobleem. Brownell merkte op dat Google nu een eerder gekochte machine voor zijn kwantum-laboratorium voor kunstmatige intelligentie heeft geüpgraded en onderzocht hoe dit kan helpen bij het leren van machines. Een andere klant is Lockheed, die kijkt naar een probleem dat softwareverificatie en -validatie wordt genoemd.

Brownell erkende dat geen van deze voorbeelden echt in productie is gegaan, maar zei dat ze echte applicaties hebben uitgevoerd die echte problemen op grote schaal oplossen. Met andere woorden, ze hebben nog niet het punt bereikt waarop de D-Wave-machine het beter doet dan klassieke supercomputers, maar hij zei: "Daar zijn we heel dicht bij." In de komende maanden zal het bedrijf laten zien "dat een kwantumcomputer beter kan presteren dan wat klassieke computers kunnen doen. We zitten nu op dat scharnierpunt."

Mark Ritter, vooraanstaand onderzoekspersoneel en senior manager op de afdeling natuurwetenschappen van het IBM TJ Watson Research Center, legde uit dat zijn team een ​​aantal verschillende kwantumprojecten uitvoert, maar heeft zijn werk gericht op gate-gebaseerde quantum computing en foutcorrectie.

Een van de theoretici in zijn team, Sergey Bravyi, vond 'een topologische pariteitscode' uit. Hij legde uit dat we ook foutcorrectiecodes gebruiken in traditionele computers, maar dat kwantuminformatie erg kwetsbaar is, dus om een ​​op poort gebaseerd systeem te maken, hebt u een code nodig om die kwetsbare kwantuminformatie te beschermen. Zijn team creëerde een 4-qubit systeem, met qubits genaamd "transmons" die een deel van de kwantuminformatie voor een langere periode kan behouden en met de foutcorrectiecode kan op poort gebaseerde quantum computing worden gemaakt. Hij zei dat dit als een vierkant rooster is waarbij de qubits zich op de hoekpunten van ruitjespapier bevinden; een algoritme legt deze code vervolgens over de qubits heen. Het doel van IBM is om steeds meer qubits aan dat algoritme toe te voegen. Hij zei dat het spoedig in staat zou kunnen zijn om de kwantumstaat voor onbepaalde tijd te behouden.

Hij merkte op hoe kwantumpoorten verstrengeling over alle qubits gebruiken en naar alle mogelijke toestanden kijken, en dit vergelijken met het interferentiepatroon dat je ziet wanneer je veel stenen in een vijver laat vallen en constructieve en destructieve interferentie krijgt. Het beste antwoord zal constructief worden verstoord, zei hij, en dit antwoord zal het enige antwoord zijn waarmee je eindigt, als er een enkel antwoord op het probleem is. In een gate-gebaseerde kwantumcomputer, zei hij, kun je de interferentie in deze codering gebruiken om een ​​antwoord te krijgen aan het einde van het proces, en dat dit voor bepaalde algoritmen exponentieel moet worden versneld.

Hoewel dit misschien nog een manier is, zei Ritter dat mensen er ook aan denken om de qubits te gebruiken om analoge simulaties met een hoge coherentie uit te voeren, zoals het simuleren van verschillende moleculen. Jacobs was het eens over kwantumsimulatie en sprak over chemische simulaties van stabiele moleculen om medicijnen te vinden.

Ik vroeg naar het algoritme van Shor, wat suggereert dat je met een kwantumcomputer veel conventionele cryptografie zou kunnen breken. Jacobs gebruikte de analogie van een raketschip dat astronauten naar de maan probeerde te sturen. Jacobs zei dat het algoritme dat het probleem uitvoert dat we proberen op te lossen, zoals het algoritme van Shor, vergelijkbaar is met de opdrachtmodule van het raketschip, en dat de foutcorrectie - zoals waar Ritter's team aan werkt - net zo is als de fasen van de raket. Maar, zei hij, de typen brandstof- of raketmotormotoren die we nu hebben, zijn niet voldoende voor elk formaat raketschip. Hij zei dat het een zeer lastige vraag is, en dat alle overhead die gepaard gaat met het uitvoeren van de kwantumberekeningen en de foutcorrectie, betekent dat veel van de algoritmen die er vandaag veelbelovend uitzien, mogelijk niet uitkomen. Brownell zei dat hij dacht dat we een decennium of meer hebben voordat kwantumcomputers RSA-codering kunnen verbreken en we moeten overstappen op post-kwantumcryptografie.

Brownell benadrukte dat het gate-model van quantum computing heel anders is dan quantum-gloeien, en sprak over hoe nuttig het is bij het vandaag oplossen van bepaalde optimalisatieproblemen. Hij zei ook dat het bijna problemen kan oplossen die buiten het bereik van klassieke computers liggen. Op sommige benchmarks, merkte hij op, heeft Google ontdekt dat de D-Wave-machine problemen in de orde van 30-100.000x sneller zou kunnen oplossen dan een algoritme voor algemene doeleinden vandaag de dag. Hoewel dit geen nuttig algoritme was, zei hij dat zijn team zich concentreert op daadwerkelijke use case-algoritmen die van deze mogelijkheid kunnen profiteren, aangezien de processor elke 12-18 maanden in prestaties schaalt.

Brownell vergeleek quantum computing vandaag met Intel in 1974 toen het uitkwam met de eerste microprocessor. Hij was op dat moment bij Digital Equipment Corp. en zei dat we ons destijds geen zorgen maakten over Intel, omdat ze zulke goedkope kleine microprocessors hadden die lang niet zo krachtig waren als deze grote dozen en zo. Maar binnen een kwestie van tien jaar, weet je, waren de zaken volledig verdwenen en ging Digital failliet. " Hij zei dat, hoewel hij niet dacht dat quantumcomputing de hele klassieke computerwereld zou bedreigen, hij deze incrementele verbeteringen in processors wel om de 18 maanden verwacht, tot een punt dat het een mogelijkheid zal zijn die nodig zal zijn voor IT-managers en ontwikkelaars om te gebruiken.

In het bijzonder, zei hij, heeft D-Wave probabilistische leeralgoritmen mede ontwikkeld, sommige in de diepe leerruimte, die dingen beter kunnen herkennen en trainen dan zonder quantum computing. Uiteindelijk ziet hij dit als een bron in de cloud die zeer veel wordt gebruikt als aanvulling op klassieke computers.

Ritter zei dat het moeilijk was om een ​​van de kwantummethoden echt te vergelijken met klassieke machines die computers voor algemene doeleinden uitvoeren, omdat mensen versnellers maken en GPU's en FPGA's gebruiken die zijn ontworpen voor specifieke taken. Hij zei dat als je eigenlijk een ASIC ontwierp die specifiek was voor het oplossen van je probleem, echte quantum computing met echte versnelling een van hen zou moeten verslaan, omdat elke qubit die je toevoegt, die configuratieruimte verdubbelt. Met andere woorden, het samenstellen van duizend qubits zou de ruimte met 2x1000 ^e macht moeten vergroten, waarvan hij opmerkte dat het meer is dan het aantal atomen in het universum. En, zei hij, met een gate-gebaseerde computer is het probleem dat de poorten langzamer werken dan je mobiele telefoon, dus je hebt meer bewerkingen tegelijk, maar elke bewerking is langzamer dan op een klassieke computer. "Dat is waarom je een grotere machine moet maken voordat je deze crossover ziet, " zei hij.

Jacobs wees erop hoeveel efficiënter quantum computing zou kunnen zijn. "Als je kijkt naar de kracht die nodig is om de beste supergroene supercomputers ter wereld te gebruiken, als je ongeveer 65 qubit simulatie wilt doen, dan heb je ongeveer één kerncentrale nodig, " zei hij, "en dan als je wilde om 66 te doen, zouden er twee kerncentrales nodig zijn."

Brownell zei dat met meer dan 1.000 qubits, de huidige D-Wave-machine theoretisch modellen tot 2 tot de 1000 ^e kon verwerken, gelijk aan 10 tot de 300 ^e. (Ter vergelijking, zei hij, wetenschappers schatten dat er slechts ongeveer 10 tot de 80 ^ste atomen in het universum zijn.) Dus hij zegt dat de limieten in prestaties op de computer niet te wijten zijn aan beperkingen in kwantum-gloeien, maar eerder aan beperking in de I / O-functies, een engineeringprobleem dat in elke nieuwe generatie wordt aangepakt. Op sommige van de benchmark-algoritmen zou de 1152-qubit-machine van het bedrijf 600 keer krachtiger moeten zijn dan het beste van wat klassieke computers kunnen, beweert hij.

De architectuur van D-Wave, die een matrix van qubits met koppelingen gebruikt die in sommige opzichten op een neuraal netwerk lijken, is aanvankelijk toegepast op diep leren neurale netwerken in machine learning.

Maar hij sprak ook over andere toepassingen, zoals het uitvoeren van het equivalent van Monte Carlo-simulaties, die hij deed bij Goldman Sachs (waar hij CIO was) voor waarde-risicoberekeningen. Hij herinnerde zich dat dit ongeveer een miljoen kernen kostte en 's nachts moest rennen. Theoretisch zou een kwantumcomputer vergelijkbare dingen kunnen doen met veel minder energie. Hij zei dat de D-Wave-machine heel weinig gebruikt, maar in een grote koelkast moet werken die zeer lage temperaturen aanhoudt (ongeveer 8 milikelvin), maar dat de machine zelf slechts ongeveer 15-20 kW nodig heeft om te draaien, wat vrij klein is voor een datacenter.

Ritter noemde een soortgelijk idee voor het gate-gebaseerde model, en besprak kwantummetropoolbemonstering waarvan hij zei dat het equivalent is van quantum Monte Carlo, maar met verschillende statistieken vanwege de verstrengelingseigenschappen.

Het team van Ritter werkt aan kwantumanalogische simulatie, waar het een moleculair ontwerp kan berekenen en in kaart brengen in een verbinding van qubits en het de ideale modi en al het gedrag van een molecuul kunnen laten oplossen, waarvan hij zei dat het heel moeilijk is als je ongeveer 50 elektronen krijgt.

Jacobs besprak kwantumcryptografie, waarbij een sleutel wordt gebruikt die wordt gegenereerd op een manier die kan aantonen dat niemand naar de uitzending luisterde. Ritter zei dat Charlie Bennett van IBM een techniek theoretiseerde voor het "teleporteren" van de qubit op de link naar een andere qubit in de machine, maar zei dat hij denkt dat dergelijke technieken meer dan een paar jaar uit zijn.

Jacobs wees op de verschillen tussen quantum gate computing en quantum gloeien, met name op het gebied van foutcorrectie, en merkte op dat er een andere methode is, ook wel topologische quantum computing genoemd, waaraan Microsoft werkt.

Een interessante uitdaging is het schrijven van toepassingen voor dergelijke machines, die Ritter omschreef als het verzenden van tonen in een specifieke frequentie die ervoor zorgen dat de verschillende qubits op tijd resoneren en met elkaar communiceren, waardoor de berekening plaatsvindt "bijna als een muzikale score". Hij merkte op dat er talen op een hoger niveau zijn, maar dat veel werk nog steeds een theoreticus vereist. Jacobs merkte op dat er verschillende niveaus van open source kwantumtalen zijn, zoals QASM en Quipper, beide grotendeels gericht op het kwantumpoortmodel. Brownell merkte op dat er niet zo veel activiteit was op het gebied van kwantumgloeien, omdat het tot voor kort controversieel was, en zei dat D-Wave veel van dat werk zelf moest doen, en werkt aan het verplaatsen van talen naar hogere niveaus. Binnen vijf jaar hoopt hij dat het net zo gemakkelijk te gebruiken is als een GPU of een ander klassiek hulpmiddel.