Apa itu pengkomputeran kuantum? Penyelesaian kepada masalah yang mustahil

Tidak ada kekurangan dalam industri komputer, walaupun saya harus mengakui bahawa kadang-kadang teknologi itu memenuhi janji-janji. Pembelajaran mesin adalah contoh yang baik. Pembelajaran mesin telah disekat sejak tahun 1950-an, dan akhirnya menjadi berguna pada dekad yang lalu.

Pengkomputeran kuantum telah diusulkan pada tahun 1980-an, tetapi masih tidak praktis, walaupun itu tidak meredakan hype. Terdapat komputer kuantum eksperimen di sebilangan kecil makmal penyelidikan, dan beberapa komputer kuantum komersial dan simulator kuantum yang dihasilkan oleh IBM dan yang lain, tetapi bahkan komputer kuantum komersial masih mempunyai jumlah qubit yang rendah (yang akan saya jelaskan di bahagian seterusnya) ), kadar kerosakan yang tinggi, dan jumlah bunyi yang banyak

Pengkomputeran kuantum dijelaskan

Penjelasan paling jelas mengenai pengkomputeran kuantum yang saya dapati terdapat dalam video ini oleh Dr. Talia Gershon dari IBM. Dalam video tersebut, Gershon menerangkan pengkomputeran kuantum kepada anak, remaja, pelajar kolej, dan pelajar siswazah, dan kemudian membincangkan mitos dan cabaran pengkomputeran kuantum dengan Profesor Steve Girvin dari Universiti Yale.

Bagi anak itu, dia membuat analogi antara bit dan sen. Bit klasik adalah binari, seperti wang yang terletak di atas meja, menunjukkan kepala atau ekor. Kuantum bit ( qubits ) seperti sen yang berputar di atas meja, yang akhirnya boleh runtuh ke keadaan yang sama ada kepala atau ekor.

Bagi remaja itu, dia menggunakan analogi yang sama, tetapi menambahkan kata superposisi untuk menggambarkan keadaan satu sen berputar. Superposisi keadaan adalah sifat kuantum, yang biasanya dilihat pada zarah unsur dan awan atom elektron. Dalam sains popular, analogi yang biasa adalah eksperimen pemikiran Kucing Schrödinger's, yang ada di dalam kotaknya dalam keadaan kuantum superposisi yang hidup dan mati, sehingga kotak itu terbuka dan ia dilihat satu atau yang lain.

Gershon terus membincangkan keterlibatan kuantum dengan remaja itu. Ini bermaksud keadaan dua atau lebih objek kuantum yang terjerat dihubungkan, walaupun dipisahkan.

Ngomong-ngomong, Einstein membenci ide ini, yang dia tolak sebagai "aksi menakutkan dari kejauhan," tetapi fenomena itu nyata dan dapat dilihat secara eksperimen, dan baru-baru ini bahkan difoto. Lebih baik lagi, cahaya yang terjerat dengan maklumat kuantum telah dikirimkan melalui serat optik sepanjang 50 kilometer.

Akhirnya, Gershon menunjukkan prototaip komputer kuantum remaja IBM dengan peti sejuk pencairannya, dan membincangkan kemungkinan aplikasi komputer kuantum, seperti pemodelan ikatan kimia.

Dengan pelajar kolej itu, Gershon menerangkan dengan lebih terperinci mengenai komputer kuantum, cip kuantum, dan peti sejuk pencairan yang menjadikan suhu cip turun hingga 10 mK (milliKelvin). Gershon juga menerangkan keterlibatan kuantum dengan lebih terperinci, bersama dengan superposisi dan gangguan kuantum. Gangguan kuantum konstruktif digunakan dalam komputer kuantum untuk memperkuat isyarat yang menuju ke jawapan yang tepat, dan gangguan kuantum yang merosakkan digunakan untuk membatalkan isyarat yang membawa kepada jawapan yang salah. IBM membuat qubit daripada bahan superkonduktor.

Dengan pelajar siswazah, Gershon membincangkan kemungkinan menggunakan komputer kuantum untuk mempercepat bahagian penting dalam latihan model pembelajaran mendalam. Dia juga menerangkan bagaimana IBM menggunakan denyutan gelombang mikro yang dikalibrasi untuk memanipulasi dan mengukur keadaan kuantum (qubit) cip pengkomputeran.

Algoritma utama untuk pengkomputeran kuantum (dibahas di bawah), yang dikembangkan sebelum bahkan satu qubit telah ditunjukkan, mengandaikan adanya berjuta-juta qubit yang betul, bertolak ansur, dan memperbaiki kesalahan. Kami kini mempunyai komputer dengan 50 qubit, dan komputer tidak sempurna. Algoritma baru yang sedang dibangunkan bertujuan untuk berfungsi dengan bilangan qubit bising yang terhad yang ada sekarang.

Steve Girvin, seorang ahli fizik teori dari Yale, memberitahu Gershon mengenai karyanya pada komputer kuantum yang toleran kesalahan, yang belum ada. Mereka berdua membincangkan kekecewaan kuantum decoherence - "Anda hanya dapat menyimpan kuantum maklumat anda begitu lama" - dan kepekaan penting komputer kuantum terhadap kebisingan dari tindakan sederhana yang diperhatikan. Mereka mengambil mitos bahawa dalam lima tahun komputer kuantum akan menyelesaikan perubahan iklim, barah, dan. Girvin: "Kami kini berada di tahap tabung vakum atau transistor pengkomputeran kuantum, dan kami berjuang untuk mencipta litar bersepadu kuantum."

Algoritma kuantum

Seperti yang disebutkan oleh Gershon dalam videonya, algoritma kuantum yang lebih tua menganggap berjuta-juta qubit yang betul, bertolak ansur, yang diperbetulkan kesalahan, yang belum tersedia. Walaupun begitu, perlu dibincangkan dua daripadanya untuk memahami janji mereka dan tindakan pencegahan apa yang dapat digunakan untuk melindungi terhadap penggunaannya dalam serangan kriptografi.

Algoritma Grover

Algoritma Grover, yang dirancang oleh Lov Grover pada tahun 1996, mendapati fungsi terbalik dalam langkah O (√N); ia juga boleh digunakan untuk mencari senarai yang tidak tersusun. Ini memberikan peningkatan kuadratik berbanding kaedah klasik, yang memerlukan langkah O (N).

Aplikasi lain dari algoritma Grover termasuk menganggarkan min dan median bagi satu set nombor, menyelesaikan masalah perlanggaran, dan fungsi hash kriptografi kejuruteraan terbalik. Kerana aplikasi kriptografi, para penyelidik kadang-kadang mencadangkan agar panjang kunci simetri digandakan untuk melindungi daripada serangan kuantum yang akan datang.

Algoritma Shor

Algoritma Shor, yang dirancang oleh Peter Shor pada tahun 1994, menemui faktor utama bilangan bulat. Ia berjalan dalam masa polinomial dalam log (N), menjadikannya lebih cepat daripada saringan medan nombor umum klasik. Percepatan eksponensial ini menjanjikan untuk memecahkan skema kriptografi kunci awam, seperti RSA, jika ada komputer kuantum dengan qubit "cukup" (bilangan tepat akan bergantung pada ukuran bilangan bulat yang difaktorkan) jika tidak ada bunyi kuantum dan kuantum lain -fenomena penderitaan.

Sekiranya komputer kuantum menjadi besar dan boleh dipercayai untuk menjalankan algoritma Shor dengan jayanya terhadap jenis bilangan bulat besar yang digunakan dalam enkripsi RSA, maka kita memerlukan kriptosistem "pasca-kuantum" baru yang tidak bergantung pada kesukaran faktorisasi utama.

Simulasi pengkomputeran kuantum di Atos

Atos membuat simulator kuantum, Quantum Learning Machine, yang bertindak seolah-olah mempunyai 30 hingga 40 qubit. Pakej perkakasan / perisian merangkumi bahasa pengaturcaraan pemasangan kuantum dan bahasa hibrid tahap tinggi berasaskan Python. Peranti ini digunakan di beberapa makmal kebangsaan dan universiti teknikal.

Penyepuhlindapan kuantum di D-Wave

D-Wave membuat sistem penyepuhlindapan kuantum seperti DW-2000Q, yang sedikit berbeza dan kurang berguna daripada komputer kuantum tujuan umum. Proses penyepuhlindapan melakukan pengoptimuman dengan cara yang serupa dengan algoritma stochastic gradient descent (SGD) yang popular untuk melatih rangkaian saraf pembelajaran mendalam, kecuali ia memungkinkan banyak titik permulaan serentak dan terowong kuantum melalui bukit-bukit tempatan. Komputer D-Wave tidak dapat menjalankan program kuantum seperti algoritma Shor.

D-Wave mendakwa bahawa sistem DW-2000Q mempunyai sehingga 2.048 qubit dan 6.016 pengganding. Untuk mencapai skala ini, ia menggunakan 128,000 simpang Josephson pada cip pemprosesan kuantum superkonduktor, disejukkan hingga kurang dari 15 mK oleh peti sejuk pencairan helium. Pakej D-Wave merangkumi sekumpulan alat Python sumber terbuka yang dihoskan di GitHub. DW-2000Q digunakan di beberapa makmal nasional, kontraktor pertahanan, dan perusahaan global.

Pengkomputeran kuantum di Google AI

Google AI sedang melakukan penyelidikan mengenai superkonduktor qubit dengan seni bina berskala cip yang mensasarkan ralat pintu dua-qubit <0,5%, pada algoritma kuantum untuk pemodelan sistem elektron berinteraksi dengan aplikasi dalam sains kimia dan bahan, pada pemecah kuantum-klasik hibrid untuk pengoptimuman anggaran , pada kerangka untuk menerapkan jaringan saraf kuantum pada pemroses jangka pendek, dan pada ketuanan kuantum.

Pada tahun 2018 Google mengumumkan penciptaan cip superkonduktor 72-qubit yang disebut Bristlecone. Setiap qubit dapat berhubung dengan empat jiran terdekat dalam array 2D. Menurut Hartmut Neven, pengarah makmal Quantum Artificial Intelligence Google, kekuatan pengkomputeran kuantum meningkat pada kurva eksponen ganda, berdasarkan jumlah CPU konvensional yang diperlukan oleh makmal untuk meniru hasil dari komputer kuantum mereka.

Pada akhir tahun 2019, Google mengumumkan bahawa ia telah mencapai ketuanan kuantum, keadaan di mana komputer kuantum dapat menyelesaikan masalah yang tidak dapat diselesaikan pada komputer klasik, menggunakan pemproses 54-qubit baru bernama Sycamore. Pasukan Google AI Quantum menerbitkan hasil percubaan ketuanan kuantum ini dalam artikel Nature , "Kuantum Ketuanan Menggunakan Pemprosesan Superkonduktor yang Dapat Diprogramkan." 

Pengkomputeran kuantum di IBM

Dalam video yang saya bincangkan sebelumnya, Dr. Gershon menyebutkan bahawa "Ada tiga komputer kuantum yang duduk di makmal ini yang boleh digunakan oleh siapa pun ." Dia merujuk kepada sistem IBM Q, yang dibangun di sekitar transmit qubit, pada dasarnya persimpangan niobium Josephson yang dikonfigurasi untuk berperilaku seperti atom buatan, dikendalikan oleh denyut gelombang mikro yang menembakkan resonator gelombang mikro pada cip kuantum, yang pada gilirannya menghubungkan dan menghubungkan ke qubit pemproses.

IBM menawarkan tiga cara untuk mengakses komputer kuantum dan simulator kuantum. Untuk "siapa saja" terdapat Qiskit SDK, dan versi awan yang dihoskan yang disebut IBM Q Experience (lihat tangkapan skrin di bawah), yang juga menyediakan antara muka grafik untuk merancang dan menguji litar. Pada peringkat seterusnya, sebagai sebahagian daripada IBM Q Network, organisasi (universiti dan syarikat besar) diberi akses ke sistem pengkomputeran kuantum dan alat pengembangan IBM Q yang paling maju.

Qiskit menyokong Python 3.5 atau lebih baru dan berjalan di Ubuntu, macOS, dan Windows. Untuk menghantar program Qiskit ke salah satu komputer kuantum IBM atau simulator kuantum, anda memerlukan kelayakan IBM Q Experience. Qiskit merangkumi algoritma dan perpustakaan aplikasi, Aqua, yang menyediakan algoritma seperti Grover's Search dan aplikasi untuk kimia, AI, pengoptimuman, dan kewangan.

IBM melancarkan generasi baru sistem IBM Q dengan 53 qubit pada akhir tahun 2019, sebagai sebahagian daripada kumpulan komputer kuantum yang diperluas di Pusat Pengiraan Kuantum IBM di New York State. Komputer-komputer ini tersedia di awan untuk lebih dari 150,000 pengguna IBM dan hampir 80 pelanggan komersial, institusi akademik dan makmal penyelidikan.

Pengkomputeran kuantum di Intel

Penyelidikan di Intel Labs secara langsung membawa kepada pengembangan Tangle Lake, pemproses kuantum superkonduktor yang menggabungkan 49 qubit dalam pakej yang dihasilkan di kemudahan fabrikasi 300 milimeter Intel di Hillsboro, Oregon. Peranti ini mewakili generasi ketiga pemproses kuantum yang dihasilkan oleh Intel, naik ke atas dari 17 qubit pada pendahulunya. Intel telah menghantar pemproses Tangle Lake ke QuTech di Belanda untuk menguji dan mengusahakan reka bentuk peringkat sistem.

Intel juga melakukan penyelidikan mengenai spin qubit, yang berfungsi berdasarkan putaran satu elektron dalam silikon, yang dikendalikan oleh denyutan gelombang mikro. Berbanding dengan qubit superkonduktor, spin qubit lebih menyerupai komponen semikonduktor yang ada yang beroperasi dalam silikon, berpotensi memanfaatkan teknik fabrikasi yang ada. Spin qubits diharapkan kekal koheren lebih lama daripada qubit superkonduktor, dan mengambil ruang lebih sedikit.

Pengkomputeran kuantum di Microsoft

Microsoft telah meneliti komputer kuantum selama lebih dari 20 tahun. Dalam pengumuman awam mengenai usaha pengkomputeran kuantum Microsoft pada bulan Oktober 2017, Dr. Krysta Svore membincangkan beberapa kejayaan, termasuk penggunaan qubit topologi, bahasa pengaturcaraan Q #, dan Kit Pembangunan Kuantum (QDK). Akhirnya, komputer kuantum Microsoft akan tersedia sebagai pemproses bersama di awan Azure.

Qubit bitologi berbentuk kawat nano superkonduktor. Dalam skema ini, bahagian elektron dapat dipisahkan, mewujudkan peningkatan tahap perlindungan untuk maklumat yang tersimpan dalam qubit fizikal. Ini adalah bentuk perlindungan topologi yang dikenali sebagai partikel separa Majorana. Partikel separa Majorana, fermion pelik yang bertindak sebagai anti zarahnya sendiri, diramalkan pada tahun 1937 dan dikesan buat pertama kalinya di makmal Microsoft Quantum di Belanda pada tahun 2012. Qubit topologi memberikan asas yang lebih baik daripada persimpangan Josephson kerana ia mempunyai kadar ralat yang lebih rendah, mengurangkan nisbah qubits fizikal kepada qubits logik dan ralat. Dengan nisbah yang dikurangkan ini, qubit yang lebih logik dapat masuk ke dalam peti sejuk pencairan, mewujudkan kemampuan untuk membuat skala.

Microsoft telah menganggarkan bahawa satu topologi Majorana qubit bernilai antara 10 dan 1,000 qubit Josephson dari segi qubit logik yang diperbetulkan oleh kesalahan. Selain itu, Ettore Majorana, ahli fizik teori Itali yang meramalkan partikel separa berdasarkan persamaan gelombang, hilang dalam keadaan yang tidak diketahui semasa perjalanan kapal dari Palermo ke Naples pada 25 Mac 1938.