La informàtica quàntica està més a prop de la realitat?

Informàtica quàntica -la idea de treballar amb ordinadors que mostren propietats quàntiques, com ara poder mantenir diversos estats al mateix temps- s’ha discutit durant molt de temps, però ara sembla que s’aproxima a la realitat, amb alguns grans avenços. A la conferència de Techonomy de la setmana passada, vaig tenir l'oportunitat d'acollir un plafó sobre aquest tema amb líders d'algunes de les empreses que impulsen el sobre d'aquest tema, incloses D-Wave i IBM.

Bryan Jacobs, consultor de Berberian & Company, que ofereix assessorament sobre computació quàntica, va explicar que en tota l’electrònica que utilitzem actualment, la informació s’emmagatzema mitjançant la càrrega d’un electró que està activat o desactivat; és a dir, una mica. Però si codifiqueu la informació en un estat quàntic, com un sol electró o un fotó, podeu associar-la a un zero i un, igual que un bit clàssic regular, però també una superposició, on pot ser zero i un alhora.. Va explicar que la noció interessant és que si teniu un ordinador quàntic que té un gran nombre d’aquests bits quàntics, sovint anomenats qubits, podeu iniciar-lo en una superposició de totes les entrades possibles alhora i, si podeu, processar informació de manera quàntica i coherent, en algun sentit podeu calcular la mateixa funció sobre totes les entrades possibles simultàniament. Es coneix com a paral·lelisme quàntic. Va assenyalar que hi ha un parell d’enfocaments diferents que s’estan intentant avui en dia: un és basat en gate, que s’assembla més als ordinadors digitals tradicionals, i l’altre s’assembla a un procés analògic, conegut com a recuit quàntic.

Vern Brownell, director general de D-Wave Systems, que en realitat ha lliurat unes quantes màquines que utilitzen el recobriment quàntic, va dir que la seva empresa va escollir primer aquest enfocament "perquè pensàvem que això ens donaria capacitat més ràpida que qualsevol altre tipus de quàntic. implementació informàtica. " Va dir que D-Wave també mirava altres models de computació quàntica, però aquest enfocament era el més pragmàtic.

Va explicar que efectivament té un recuperat quantum amb mil qubits, que són capaços d’explorar un espai de resposta de dues possibilitats diferents al nombre de qubits. Essencialment es treballa en problemes d’optimització complexos i es busca trobar l’energia més baixa o la millor resposta per a aquest problema d’optimització. Brownell va assenyalar que Google ara ha actualitzat una màquina prèviament comprada per al seu laboratori d’intel·ligència artificial quàntica, examinant com això pot ajudar a l’aprenentatge de màquines. Un altre client és Lockheed, que busca un problema anomenat verificació i validació de programari.

Brownell ha reconegut que cap d'aquests exemples ha entrat en producció encara, però ha dit que han executat aplicacions reals que resolen problemes reals a escala. És a dir, encara no han arribat al punt en què la màquina D-Wave supera els supercomputadors clàssics, però ha dit que "estem molt a prop". En els propers mesos, la companyia mostrarà "que un ordinador quàntic pot superar el millor del que pot fer la informàtica clàssica. Ara mateix estem en aquest punt de frontissa".

Mark Ritter, membre del personal investigador distingit i responsable principal del departament de ciències físiques de l'IBM TJ Watson Research Center, va explicar que el seu equip està fent diversos projectes quàntics diferents, però ha centrat el seu treball en la computació quàntica basada en gate i la correcció d'errors..

Un dels teòrics del seu equip, Sergey Bravyi, va inventar "un codi de paritat topològic". Va explicar que també utilitzem codis de correcció d’errors en ordinadors tradicionals, però que la informació quàntica és molt fràgil, per la qual cosa, per fer un sistema basat en gate, cal un codi per protegir aquesta informació quàntica fràgil. El seu equip va crear un sistema de 4 qubits, amb qubits anomenats "transmons" que poden conservar una mica de la informació quàntica durant un període més llarg i amb el codi de correcció d'errors pot crear informàtica quàntica basada en porta. Va dir que això és com una gelosia quadrada on els qubits es troben als vèrtexs del paper gràfic; un algorisme sobreposa aquest codi sobre els qubits. L’objectiu d’IBM és poder afegir més i més qubits a aquest algorisme. Va dir que aviat pot ser capaç de preservar l'estat quàntic indefinidament.

Va assenyalar com les portes quàntiques utilitzen l'enredament a través de tots els codis i veuen tots els estats potencials, comparant-ho amb el patró d'interferència que veieu quan deixeu caure moltes pedres en un estany i obteniu interferències constructives i destructives. Va dir que la millor resposta s’interferirà constructivament, i aquesta resposta serà l’única resposta amb què acabaràs, si hi ha una única resposta al problema. En un ordinador quàntic basat en una porta, va dir, podeu utilitzar la interferència en aquesta codificació per obtenir una resposta al final del procés, i que aquesta s’hauria de potenciar exponencialment per a certs algoritmes.

Tot i que això encara pot ser una manera de defugir, Ritter va dir que la gent també està pensant a utilitzar els qubits per executar simulacions analògiques amb alta coherència, com per exemple, simular diverses molècules. Jacobs va acordar la simulació quàntica i va parlar de simulacions químiques de molècules estables per trobar fàrmacs.

Vaig preguntar sobre l'algorisme de Shor, que suggereix que amb un ordinador quàntic podríeu trencar bona part de la criptografia convencional. Jacobs va utilitzar l'analogia d'un vaixell de coets intentant enviar astronautes a la lluna. Jacobs va dir que l'algoritme que executa el problema que intentem resoldre, com ara l'algorisme de Shor, és similar al mòdul de comandament del coet, i que la correcció d'errors, com el que treballa l'equip de Ritter, és com les etapes del coet. Però, va dir, els tipus de motors de combustible o de coets que tenim ara mateix no són suficients per a una nau de coets de mida. Va dir que és una pregunta molt complicada, i que tota la despesa associada a fer els càlculs quàntics i la correcció d'errors significa que molts dels algorismes que semblen prometedors avui en dia no poden sortir. Brownell va dir que pensàvem que tenim una dècada o més abans que els ordinadors quàntics poguessin trencar el xifrat RSA i que haurem de passar a la criptografia post-quàntica.

Brownell va remarcar que el model de porta de la computació quàntica és molt diferent del recuat quàntic, i va parlar sobre la utilitat que es té a l’hora de resoldre certs problemes d’optimització. Va dir que gairebé pot solucionar problemes que estan fora de l’abast dels ordinadors clàssics. En alguns punts de referència, va assenyalar, Google ha trobat que la màquina D-Wave podria resoldre problemes en algun lloc de l'ordre de 30-100.000 x més ràpid que un algorisme de propòsit general en l'actualitat. Tot i que aquest no era un algorisme útil, va dir que el seu equip se centra en algorismes de casos d’ús real que poden aprofitar aquesta capacitat, ja que el seu processador s’escala en el rendiment cada 12-18 mesos.

Brownell va comparar la informàtica quàntica actual amb Intel el 1974 quan va sortir amb el primer microprocessador. Ell estava amb Digital Equipment Corp. Aleshores, va dir que en aquell moment "no estàvem especialment preocupats per Intel, perquè tenien aquests petits microprocessadors barats que no eren tan potents com aquestes grans caixes i coses que teníem. Però, d’aquí a deu anys, ja sabeu, el negoci s’havia anat completament i el digital va sortir del negoci ". Va dir que, tot i que no creu que la computació quàntica amenaçaria tot el món de la informàtica clàssica, espera que vegi aquestes millores incrementals en els processadors cada 18 mesos, fins a un punt en què serà necessària per als gestors de TI. i desenvolupadors per utilitzar.

En particular, va dir, D-Wave ha co-desenvolupat algoritmes d’aprenentatge probabilístic, alguns d’ells a l’espai d’aprenentatge profund, que poden fer un millor treball per reconèixer les coses i en la formació que no es pot fer sense computació quàntica. Finalment, veu això com un recurs al núvol que s'utilitzarà molt per complir amb els ordinadors clàssics.

Ritter va dir que era difícil comparar qualsevol dels mètodes quàntics amb les màquines clàssiques que executen informàtica de propòsit general, ja que la gent fa acceleradors i utilitza GPUs i FPGA dissenyats per a tasques específiques. Va dir que si realment heu dissenyat un ASIC que era específic per resoldre el vostre problema, la computació quàntica real amb acceleració real hauria de superar qualsevol, perquè cada qubit que afegiu dobla l’espai de configuració. En altres paraules, posar mil qubits junts hauria d’augmentar l’espai en una potència de 2 000 000, que va assenyalar és més que el nombre d’àtoms de l’univers. I, segons va dir, amb un ordinador basat en gate, el problema és que les portes funcionen més lent que el mòbil, de manera que teniu més operacions alhora, però cada operació és més lenta que en un ordinador clàssic. "Per això heu de fer una màquina més gran abans de veure aquest creuament", va dir.

Jacobs va assenyalar quina quantitat més eficaç pot ser la computació quàntica. "Si us fixeu en la potència necessària utilitzant els millors superordinadors super verds del món, si voleu fer una simulació de 65 qubit, això requeriria d'una central nuclear", va dir, "i si voleu per fer el 66 caldria dues centrals nuclears."

Brownell va dir que amb més de 1.000 qubits, la màquina actual de D-Wave podria manejar teòricament models de fins a 2 a 1000 ^º, equivalents a 10 a 300 ^º. (Com a comparació, va dir, els científics estimen que només hi ha al voltant de 10 als 80 àtoms a l’univers.) Així que diu que els límits en el rendiment a l’ordinador no es deuen a limitacions en el recuit quàntic, sinó a limitació en el jo. / Funcions O, un problema d’enginyeria que s’aborda en cada nova generació. Segons alguns dels algorismes de referència, la màquina 1152-qubit de la companyia hauria de ser 600 vegades més potent que el millor del que poden fer els ordinadors clàssics.

L’arquitectura de D-Wave, que utilitza una matriu de qubits amb acoblaments que d’alguna manera s’assembla a una xarxa neuronal, ha tingut una aplicació inicial a les xarxes neuronals d’aprenentatge profund en l’aprenentatge automàtic.

Però també va parlar d’altres aplicacions, com ara l’equivalent a les simulacions de Montecarlo, que solia fer a Goldman Sachs (on era CIO) per a càlculs de valor-risc. Va recordar que això portava aproximadament un milió de nuclis i va haver de córrer durant la nit. Teòricament, un ordinador quàntic podria fer coses similars amb molta menys energia. Va dir que la màquina D-Wave utilitza molt poc, però necessita funcionar dins d’un gran refrigerador que mantingui unes temperatures molt baixes (aproximadament 8 mil·lelvins), però que la màquina necessita només uns 15-20 kW per funcionar, cosa que és força petita per a un centre de dades.

Ritter va esmentar una idea similar per al model basat en gate, i va discutir el mostreig de metròpolis quàntiques, que va dir que és l'equivalent al quàntic de Montecarlo, però amb estadístiques diferents a causa de les propietats d'enredament.

L’equip de Ritter està treballant en la simulació analògica quàntica, on es pot calcular i associar un disseny molecular en una connexió de qubits i fer que resolgui els modes ideals i tots els comportaments d’una molècula, que va dir que és molt difícil un cop aconseguiu al voltant de 50 electrons..

Jacobs va discutir la criptografia quàntica, que inclou una clau que es genera d’una manera que pot demostrar que ningú escoltava la transmissió. Ritter va dir que Charlie Bennett de l'IBM va teoritzar una tècnica per "teletransportar" el qubit en l'enllaç cap a un altre qubit de la màquina, però va dir que pensa que aquestes tècniques estan més que uns quants anys.

Jacobs va assenyalar les diferències entre la computació de portes quàntiques i el recuit quàntic, particularment en les àrees de correcció d'errors, i va assenyalar que hi ha un altre mètode, també anomenat càlcul quàntic topològic que Microsoft treballa.

Un dels desafiaments interessants és escriure aplicacions per a aquestes màquines, que Ritter va descriure com enviar tons en una freqüència específica que fan que els diferents qubits ressonessin i interactuessin entre si en el temps, cosa que fa que el càlcul es produeixi "gairebé com una partitura musical". Va assenyalar que hi ha llenguatges de nivell superior, però que encara necessita molta feina un teòric. Jacobs va assenyalar que hi ha diferents nivells de llenguatges quàntics de codi obert com QASM i Quipper, tots dos centrats en gran mesura en el model de porta quàntica. Brownell va assenyalar que no hi ha hagut tanta activitat en el recuit quàntic, perquè va ser més controvertit fins fa poc, i va dir que D-Wave ha hagut de fer una gran quantitat d'aquest treball i que està treballant per traslladar idiomes a nivells més alts. D’aquí a cinc anys, espera que sigui tan fàcil d’utilitzar com una GPU o un altre tipus de recurs clàssic.