Η κβαντική υπεροχή έρχεται!

Οι ερευνητές πλησιάζουν στην οικοδόμηση ενός κβαντικού υπολογιστή που μπορεί να εκτελέσει εργασίες που δεν μπορεί να έχει ένας κλασικός υπολογιστής.

Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν θα αντικαταστήσουν ποτέ πλήρως τους “κλασικούς”, όπως τη συσκευή που διαβάζετε σε αυτό το άρθρο. Δεν θα εκτελέσουν προγράμματα περιήγησης ιστού, δεν θα σας βοηθήσουν με τους φόρους σας ή θα προβάλουν το τελευταίο βίντεο από το Netflix.

Αυτό που θα κάνουν – αυτό που τουλάχιστον ελπίζαμε, τουλάχιστον – θα είναι να προσφέρουμε ένα θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο εκτέλεσης ορισμένων υπολογισμών. Θα είναι σε θέση να λύσουν προβλήματα που θα απαιτούσαν έναν γρήγορο κλασικό υπολογιστή για δισεκατομμύρια χρόνια. Θα επιτρέψουν την προσομοίωση σύνθετων κβαντικών συστημάτων, όπως βιολογικά μόρια, ή θα προσφέρουν έναν τρόπο να παράγουν απίστευτα μεγάλους αριθμούς, διακόπτοντας έτσι τις μακροχρόνιες μορφές κρυπτογράφησης.

Το όριο όπου οι κβαντικοί υπολογιστές περνούν από ενδιαφέροντα ερευνητικά έργα για να κάνουν πράγματα που δεν μπορεί να κάνει κανένας κλασικός υπολογιστής λέγεται “κβαντική υπεροχή.” Πολλοί πιστεύουν ότι το έργο της κβαντικής πληροφορικής της Google θα το επιτύχει αργότερα αυτό το έτος. Εν αναμονή αυτού του γεγονότος, δημιουργήσαμε αυτόν τον οδηγό για την κβαντική υπολογιστική περίεργη. Παρέχει τις πληροφορίες που θα χρειαστείτε για να καταλάβετε ποια είναι η κβαντική υπεροχή και αν πραγματικά έχει επιτευχθεί.

Τι είναι η κβαντική υπεροχή και γιατί είναι σημαντική;

Για να επιτευχθεί η κβαντική υπεροχή, ένας κβαντικός υπολογιστής θα πρέπει να εκτελέσει οποιονδήποτε υπολογισμό ο οποίος, για όλους τους πρακτικούς σκοπούς, ένας κλασικός υπολογιστής δεν μπορεί.

Κατά μία έννοια, το ορόσημο είναι τεχνητό. Το έργο που θα χρησιμοποιηθεί για να δοκιμάσει την κβαντική υπεροχή είναι εφικτό – περισσότερο από ένα τέχνασμα του προσωπικού παρά μια χρήσιμη πρόοδος (περισσότερο σε αυτό σύντομα). Για το λόγο αυτό, δεν είναι όλες οι σοβαρές προσπάθειες για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή να στοχεύουν ειδικά στην κβαντική υπεροχή. “Η κβαντική υπεροχή, δεν χρησιμοποιούμε καθόλου”, δήλωσε ο Robert Sutor, ο εκτελεστικός υπεύθυνος για τη στρατηγική της κβαντικής πληροφορικής της IBM. “Δεν μας νοιάζει καθόλου.”

Αλλά με άλλους τρόπους, η κβαντική υπεροχή θα ήταν μια κρίσιμη στιγμή στην ιστορία της πληροφορικής. Στο πιο βασικό επίπεδο, θα μπορούσε να οδηγήσει σε κβαντικούς υπολογιστές που είναι, στην πραγματικότητα, χρήσιμοι για ορισμένα πρακτικά προβλήματα.

Υπάρχει ιστορική αιτιολόγηση αυτής της άποψης. Στη δεκαετία του 1990, οι πρώτοι κβαντικοί αλγόριθμοι λύνουν τα προβλήματα που κανείς δεν ενδιαφέρεται πραγματικά. Αλλά οι επιστήμονες υπολογιστών που τους σχεδίασαν έμαθαν πράγματα που θα μπορούσαν να εφαρμόσουν στην ανάπτυξη αλγορίθμων που ακολούθησαν (όπως ο αλγόριθμος Shor για factoring μεγάλων αριθμών) που έχουν τεράστιες πρακτικές συνέπειες.

“Δεν νομίζω ότι αυτοί οι αλγόριθμοι θα υπήρχαν αν η κοινότητα δεν είχε εργαστεί για πρώτη φορά στο ερώτημα« Ποιοι είναι κατ ‘αρχήν οι υπολογιστές κβαντικών καλές; »χωρίς να ανησυχείτε για τη χρήση της αξίας αμέσως», δήλωσε ο Bill Fefferman, ένας επιστήμονας κβαντικών πληροφοριών στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο.

Ο κόσμος των κβαντικών υπολογιστών ελπίζει ότι η διαδικασία θα επαναληφθεί τώρα. Με την οικοδόμηση ενός κβαντικού υπολογιστή που κτυπά κλασσικούς υπολογιστές – ακόμη και στην επίλυση ενός μόνο άχρηστου προβλήματος – οι ερευνητές θα μπορούσαν να μάθουν πράγματα που θα τους επιτρέψουν να οικοδομήσουν έναν ευρύτερα χρήσιμο κβαντικό υπολογιστή αργότερα.

“Πριν από την υπεροχή, υπάρχει απλώς μηδενική πιθανότητα ότι ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να κάνει κάτι ενδιαφέρον”, δήλωσε ο Fernando Brandão, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας και ερευνητής στο Google. “Η υπεροχή είναι απαραίτητο ορόσημο”.

Επιπλέον, η κβαντική υπεροχή θα ήταν ένας σεισμός στον τομέα της θεωρητικής πληροφορικής. Για δεκαετίες, το πεδίο λειτουργούσε υπό την υπόθεση που ονομάζεται “εκτεταμένη διατριβή της Εκκλησίας-Turing”, η οποία λέει ότι ένας κλασικός υπολογιστής μπορεί να εκτελέσει αποτελεσματικά κάθε υπολογισμό που μπορεί να εκτελέσει αποτελεσματικά οποιοδήποτε άλλο είδος υπολογιστή. Η κβαντική υπεροχή θα ήταν η πρώτη πειραματική παραβίαση αυτής της αρχής και έτσι θα οδηγούσε την επιστήμη των υπολογιστών σε έναν εντελώς νέο κόσμο. “Η κβαντική υπεροχή θα είναι μια θεμελιώδης ανακάλυψη στον τρόπο που βλέπουμε τον υπολογισμό”, δήλωσε ο Adam Bouland, ένας ερευνητής κβαντικών πληροφοριών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στο Berkeley.

Πώς αποδεικνύετε την κβαντική υπεροχή;

Με την επίλυση ενός προβλήματος σε έναν κβαντικό υπολογιστή που ένας κλασικός υπολογιστής δεν μπορεί να λύσει αποτελεσματικά. Το πρόβλημα θα μπορούσε να είναι ό, τι θέλετε, αν και γενικά αναμένεται ότι η πρώτη επίδειξη της κβαντικής υπεροχής θα περιλαμβάνει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα γνωστό ως “τυχαίο κύκλωμα δειγματοληψίας”.

Ένα απλό παράδειγμα τυχαίου προβλήματος δειγματοληψίας είναι ένα πρόγραμμα που προσομοιώνει το ρολό ενός δίκαιου πεθαίνουν. Ένα τέτοιο πρόγραμμα λειτουργεί σωστά όταν δειγματοληπτικά δειγματοληπτικά από τις πιθανές εκβάσεις, παράγοντας καθένα από τους έξι αριθμούς στη μήτρα το ένα έκτο του χρόνου καθώς εκτελείτε το πρόγραμμα επανειλημμένα.

Στη θέση ενός πεθαμένου, αυτό το υποψήφιο πρόβλημα για την κβαντική υπεροχή ζητά από έναν υπολογιστή να δειγματοληπτικά δειγματοληπτικά από τις πιθανές εξόδους ενός τυχαίου κβαντικού κυκλώματος, το οποίο είναι σαν μια σειρά ενεργειών που μπορούν να εκτελεστούν σε ένα σύνολο κβαντικών bits ή qubits. Ας εξετάσουμε ένα κύκλωμα που δρα σε 50 qubits. Καθώς τα qubits περνούν από το κύκλωμα, οι καταστάσεις των qubits αλληλοσυνδέονται ή εμπλέκονται σε αυτό που ονομάζεται κβαντική υπέρθεση. Ως αποτέλεσμα, στο τέλος του κυκλώματος, τα 50 qubits είναι σε μια υπερβολή 250 πιθανών καταστάσεων. Αν μετρήσετε τα qubits, η θάλασσα των 250 δυνατοτήτων καταρρέει σε μία μόνο σειρά 50 bit. Αυτό είναι σαν το να κυλάτε ένα πέλμα, εκτός από ότι έξι δυνατότητες έχετε 250 ή 1 τετράκι δισεκατομμύριο και δεν είναι όλες πιθανές οι πιθανότητες να συμβούν.

Οι κβαντικοί υπολογιστές, οι οποίοι μπορούν να εκμεταλλευτούν καθαρά κβαντικά χαρακτηριστικά όπως οι υπερθέσεις και η εμπλοκή, θα πρέπει να είναι σε θέση να παράγουν αποτελεσματικά μια σειρά δειγμάτων από αυτό το τυχαίο κύκλωμα που ακολουθεί τη σωστή κατανομή. Για τους κλασσικούς υπολογιστές, ωστόσο, δεν υπάρχει γνωστός γρήγορος αλγόριθμος για τη δημιουργία αυτών των δειγμάτων – έτσι ώστε το εύρος πιθανών δειγμάτων να αυξάνεται, οι κλασσικοί υπολογιστές γρήγορα κατακλύζονται από την εργασία.

Ποιο είναι το κορόιδο;

Όσο τα κβαντικά κυκλώματα παραμένουν μικρά, οι κλασσικοί υπολογιστές μπορούν να συμβαδίσουν. Για να αποδειχθεί η κβαντική υπεροχή μέσω του δειγματοληπτικού προβλήματος τυχαίων κυκλωμάτων, οι μηχανικοί πρέπει να είναι σε θέση να κατασκευάσουν κβαντικά κυκλώματα τουλάχιστον ενός ελάχιστου μεγέθους – και μέχρι στιγμής δεν μπορούν.

Το μέγεθος του κυκλώματος καθορίζεται από τον αριθμό των qubits από τα οποία ξεκινάτε, σε συνδυασμό με τον αριθμό των φορών που χειρίζεστε αυτά τα qubits. Οι χειρισμοί σε έναν κβαντικό υπολογιστή εκτελούνται χρησιμοποιώντας “πύλες”, ακριβώς όπως είναι σε έναν κλασικό υπολογιστή. Τα διαφορετικά είδη πύλης μετασχηματίζουν τα qubits με διαφορετικούς τρόπους – μερικοί αναποδογυρίζουν την αξία ενός μόνο qubit, ενώ άλλοι συνδυάζουν δύο qubits με διαφορετικούς τρόπους. Αν τρέχετε τα qubits σας μέσω 10 πύλων, θα λέγατε ότι το κύκλωμά σας έχει “βάθος” 10.

Για να επιτευχθεί κβαντική υπεροχή, οι υπολογιστές εκτιμούν ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα χρειαστεί να λύσει το τυχαίο πρόβλημα δειγματοληψίας κυκλώματος για ένα κύκλωμα στο πάρκο των 70 έως 100 qubits με βάθος περίπου 10. Εάν το κύκλωμα είναι πολύ μικρότερο από αυτό, θα μπορούσε πιθανότατα να κατορθώσει να το προσομοιώσει – και οι κλασικές τεχνικές προσομοίωσης βελτιώνονται συνεχώς.

Ωστόσο, το πρόβλημα που αντιμετωπίζουν τώρα οι κβαντοί μηχανικοί είναι ότι καθώς ο αριθμός των qubits και των πύλων αυξάνεται, το ίδιο ισχύει και για το ποσοστό σφάλματος. Και αν το ποσοστό σφάλματος είναι πολύ υψηλό, οι κβαντικοί υπολογιστές χάνουν το πλεονέκτημά τους έναντι των κλασσικών.

Υπάρχουν πολλές πηγές σφάλματος σε ένα κβαντικό κύκλωμα. Το πιο κρίσιμο είναι το σφάλμα που συσσωρεύεται σε έναν υπολογισμό κάθε φορά που το κύκλωμα εκτελεί μια λειτουργία πύλης.

Προς το παρόν, οι καλύτερες κβαντικές πύλες δύο qubit έχουν ποσοστό σφάλματος περίπου 0,5%, που σημαίνει ότι υπάρχει περίπου ένα σφάλμα για κάθε 200 πράξεις. Αυτό είναι αστρονομικά υψηλότερο από το ποσοστό σφάλματος σε ένα τυπικό κλασικό κύκλωμα, όπου υπάρχει περίπου ένα σφάλμα σε κάθε 1017 πράξεις. Για να αποδειχθεί η κβαντική υπεροχή, οι μηχανικοί θα πρέπει να μειώσουν το ποσοστό σφάλματος για πύλες δύο τετραγώνων σε περίπου 0,1%.

Πώς θα γνωρίζουμε με βεβαιότητα ότι η κβαντική υπεροχή έχει αποδειχθεί;

Μερικά ορόσημα είναι ξεκάθαρα. Η κβαντική υπεροχή δεν είναι μία από αυτές. “Δεν είναι σαν μια εκτόξευση πυραύλων ή μια πυρηνική έκρηξη, όπου απλά παρακολουθείτε και αμέσως ξέρετε αν πέτυχε”, δήλωσε ο Scott Aaronson, επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Texas, Austin.

Για να επιβεβαιώσετε την κβαντική υπεροχή, πρέπει να δείξετε δύο πράγματα: ότι ένας κβαντικός υπολογιστής εκτέλεσε έναν υπολογισμό γρήγορα και ότι ένας κλασικός υπολογιστής δεν μπορούσε να εκτελέσει αποτελεσματικά τον ίδιο υπολογισμό.

Είναι το δεύτερο κομμάτι που είναι πιο δύσκολο. Οι κλασικοί υπολογιστές συχνά αποδίδουν καλύτερα στην επίλυση συγκεκριμένων προβλημάτων από ό, τι αναμενόταν από τους επιστήμονες υπολογιστών. Μέχρι να αποδείξετε ότι ένας κλασικός υπολογιστής δεν μπορεί να κάνει κάτι αποτελεσματικά, υπάρχει πάντα η πιθανότητα να υπάρχει ένας καλύτερος, πιο αποδοτικός κλασσικός αλγόριθμος. Η απόδειξη ότι ένας τέτοιος αλγόριθμος δεν υπάρχει είναι πιθανότατα περισσότερο από ό, τι οι περισσότεροι άνθρωποι θα χρειαστούν για να πιστέψουν την αξίωση της κβαντικής υπεροχής, αλλά ένας τέτοιος ισχυρισμός θα μπορούσε ακόμα να πάρει κάποιο χρόνο για να γίνει δεκτός.

Πόσο κοντά είναι κάποιος για να το επιτύχει;

Με πολλούς λογαριασμούς η Google χτυπά στην πόρτα της κβαντικής υπεροχής και θα μπορούσε να το επιδείξει πριν από το τέλος του έτους. (Φυσικά, το ίδιο ειπώθηκε το 2017.) Αλλά πολλές άλλες ομάδες έχουν τη δυνατότητα να επιτύχουν σύντομα την κβαντική υπεροχή, συμπεριλαμβανομένων εκείνων των IBM, IonQ, Rigetti και του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ.

Αυτές οι ομάδες χρησιμοποιούν αρκετές διαφορετικές προσεγγίσεις για την οικοδόμηση ενός κβαντικού υπολογιστή. Η Google, η IBM και η Rigetti εκτελούν κβαντικούς υπολογισμούς χρησιμοποιώντας υπεραγωγικά κυκλώματα. Το IonQ χρησιμοποιεί παγιδευμένα ιόντα. Η πρωτοβουλία του Χάρβαρντ, με επικεφαλής τον Μιχαήλ Λουκίν, χρησιμοποιεί άτομα ρουβιδίου. Η προσέγγιση της Microsoft, η οποία περιλαμβάνει «τοπολογικά qubits», μοιάζει περισσότερο σαν μια μακρά βολή.

Κάθε προσέγγιση έχει τα υπέρ και τα κατά της.

Τα υπεραγώγιμα κβαντικά κυκλώματα έχουν το πλεονέκτημα ότι κατασκευάζονται από υλικό στερεάς κατάστασης. Μπορούν να κατασκευαστούν με τις υπάρχουσες τεχνικές κατασκευής και εκτελούν πολύ γρήγορες πύλες. Επιπλέον, τα qubits δεν κινούνται, κάτι που μπορεί να είναι ένα πρόβλημα με άλλες τεχνολογίες. Αλλά πρέπει επίσης να ψύχονται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και κάθε qubit σε ένα υπεραγώγιμο τσιπ πρέπει να βαθμονομείται ξεχωριστά, πράγμα που καθιστά δύσκολο να κλιμακωθεί η τεχνολογία στα χιλιάδες qubits (ή περισσότερα) που θα χρειαστούν σε ένα πραγματικά χρήσιμο κβαντικό υπολογιστή.

Οι παγίδες ιόντων έχουν ένα αντίθετο σύνολο δυνατοτήτων και αδυναμιών. Τα μεμονωμένα ιόντα είναι πανομοιότυπα, τα οποία βοηθούν στην κατασκευή, και οι παγίδες ιόντων σας δίνουν περισσότερο χρόνο για να εκτελέσετε έναν υπολογισμό πριν τα qubits καταστούν συντριμμένα με θόρυβο από το περιβάλλον. Αλλά οι πύλες που χρησιμοποιούνται για να λειτουργούν στα ιόντα είναι πολύ αργές (χιλιάδες φορές πιο αργές από τις υπεραγώγιμες πύλες) και τα μεμονωμένα ιόντα μπορούν να κινηθούν όταν δεν τα θέλετε.

Προς το παρόν, τα υπεραγώγιμα κβαντικά κυκλώματα φαίνεται να προχωρούν ταχύτερα. Υπάρχουν όμως σοβαροί μηχανικοί φραγμοί που αντιμετωπίζουν όλες τις διαφορετικές προσεγγίσεις. Μια σημαντική νέα τεχνολογική πρόοδος θα χρειαστεί πριν γίνει δυνατή η οικοδόμηση του είδους των κβαντικών υπολογιστών που ονειρεύονται οι άνθρωποι. “Έχω ακούσει ότι είπε ότι η κβαντική υπολογιστική μπορεί να χρειαστεί μια εφεύρεση ανάλογη με το τρανζίστορ – μια πρωτοποριακή τεχνολογία που εκτελεί σχεδόν άψογα και η οποία είναι εύκολα επεκτάσιμη”, είπε ο Bouland. “Ενώ η πρόσφατη πειραματική πρόοδος ήταν εντυπωσιακή, η τάση μου είναι ότι αυτό δεν έχει βρεθεί ακόμη.”

Πείτε η κβαντική υπεροχή έχει αποδειχθεί. Και τώρα τι?

Εάν ένας κβαντικός υπολογιστής επιτύχει την υπεροχή για μια επινοημένη εργασία όπως η δειγματοληψία τυχαίων κυκλωμάτων, η προφανής επόμενη ερώτηση είναι: Εντάξει, πότε θα κάνει κάτι χρήσιμο;

Το ορόσημο χρησιμότητας αναφέρεται μερικές φορές ως κβαντικό πλεονέκτημα. “Κβαντικό πλεονέκτημα είναι αυτή η ιδέα να πούμε: Για μια πραγματική περίπτωση – όπως οι χρηματοπιστωτικές υπηρεσίες, η AI, η χημεία – πότε θα μπορέσετε να δείτε και πώς θα μπορείτε να δείτε ότι ένας κβαντικός υπολογιστής κάνει κάτι πολύ καλύτερο από “είπε ο Sutor της IBM, ο οποίος έχει αρκετούς εταιρικούς πελάτες όπως η JPMorgan Chase και η Mercedes-Benz, οι οποίοι έχουν αρχίσει να εξερευνούν εφαρμογές των κβαντικών μαρκών της IBM.

Ένα δεύτερο ορόσημο θα ήταν η δημιουργία ανεκτικών σε σφάλματα κβαντικών υπολογιστών. Αυτοί οι υπολογιστές θα είναι σε θέση να διορθώνουν σφάλματα σε έναν υπολογισμό σε πραγματικό χρόνο, επιτρέποντας καταρχήν τους κβαντικούς υπολογισμούς χωρίς σφάλματα. Αλλά η κορυφαία πρόταση δημιουργίας κβαντικών υπολογιστών ανθεκτικότητας σε σφάλματα, γνωστού ως “κώδικας επιφάνειας”, απαιτεί μια τεράστια επιβάρυνση χιλιάδων qubits διορθώνοντας σφάλματα για κάθε “λογικό” qubit που χρησιμοποιεί ο υπολογιστής για να πραγματοποιήσει έναν υπολογισμό. Αυτό θέτει ανοχή σφάλματος πολύ πέρα ​​από την τρέχουσα κατάσταση της τεχνολογίας στον κβαντικό υπολογισμό. Είναι ανοιχτό το ερώτημα εάν οι κβαντικοί υπολογιστές θα πρέπει να είναι ανεκτικοί σε σφάλματα πριν μπορέσουν πραγματικά να κάνουν κάτι χρήσιμο. “Υπάρχουν πολλές ιδέες,” λέει ο Brandão, “αλλά τίποτα δεν είναι σίγουρο.”

Πατήστε εδώ για να συνεχίσετε

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Please enter your comment!
Please enter your name here