Kuantum hesaplama nedir? İmkansız sorunlara çözümler

Hatta bazen teknolojinin verilen sözleri tuttuğunu kabul etmem gerekse de, bilgisayar endüstrisinde aldatıcı bir eksiklik yok. Makine öğrenimi buna iyi bir örnektir. Makine öğrenimi 1950'lerden beri abartılıyor ve nihayet son on yılda genel olarak kullanışlı hale geldi.

Kuantum hesaplama 1980'lerde önerildi, ancak bu, aldatmacayı azaltmasa da hala pratik değil. Az sayıda araştırma laboratuarında deneysel kuantum bilgisayarlar ve IBM ve diğerleri tarafından üretilen birkaç ticari kuantum bilgisayar ve kuantum simülatörleri var, ancak ticari kuantum bilgisayarlarda bile hala düşük sayıda kübit var (bunu bir sonraki bölümde açıklayacağım) ), yüksek bozulma oranları ve önemli miktarda gürültü.

Kuantum hesaplamanın açıklaması

Bulduğum kuantum hesaplamanın en net açıklaması, IBM'den Dr. Talia Gershon'un bu videoda. Videoda Gershon bir çocuğa, bir gence, bir üniversite öğrencisine ve bir yüksek lisans öğrencisine kuantum hesaplamayı anlatıyor ve ardından Yale Üniversitesi'nden Profesör Steve Girvin ile kuantum bilişim mitlerini ve zorluklarını tartışıyor.

Çocuğa, bitler ve pennies arasında benzetme yapıyor. Klasik bitler, masanın üzerinde yatan kuruşlar gibi, yazı veya yazı gösteren ikilidir. Kuantum bitleri ( kübitler ), masanın üzerinde dönen kuruşlar gibidir ve bu, sonunda yazı veya yazı hallerine dönüşebilir.

Ergen için aynı benzetmeyi kullanıyor, ancak dönen bir kuruşun durumlarını tanımlamak için süperpozisyon kelimesini ekliyor . Durumların üst üste binmesi, genellikle temel parçacıklarda ve atomların elektron bulutlarında görülen bir kuantum özelliğidir. Popüler bilimde olağan benzetme, kutusu açılıncaya ve biri ya da diğeri olduğu gözlenene kadar hem canlı hem de ölü üst üste gelen kuantum durumunda kutusunda bulunan Schrödinger'in Kedisi'nin düşünce deneyidir.

Gershon , gençle kuantum dolanıklığını tartışmaya devam ediyor . Bu, iki veya daha fazla dolaşık kuantum nesnesinin durumlarının, ayrılmış olsalar bile bağlantılı olduğu anlamına gelir.

Bu arada, Einstein, “uzaktan ürkütücü eylem” olarak görmezden geldiği bu fikirden nefret ediyordu, ancak fenomen gerçek ve deneysel olarak gözlemlenebilir ve son zamanlarda fotoğrafı bile çekildi. Daha da iyisi, kuantum bilgisiyle dolanmış ışık 50 kilometrelik bir optik fiber üzerinden gönderildi.

Son olarak Gershon, genç IBM'in kuantum bilgisayar prototipini seyreltme buzdolabıyla birlikte gösteriyor ve kimyasal bağların modellenmesi gibi kuantum bilgisayarların olası uygulamalarını tartışıyor.

Üniversite öğrencisi ile Gershon, kuantum bilgisayar, kuantum çip ve çipin sıcaklığını 10 mK'ya (milliKelvin) düşüren seyreltme buzdolabı hakkında daha fazla ayrıntıya giriyor. Gershon ayrıca kuantum dolaşıklığını, kuantum süperpozisyonu ve girişimle birlikte daha ayrıntılı olarak açıklıyor. Kuantum bilgisayarlarda doğru yanıta götüren sinyalleri yükseltmek için yapıcı kuantum paraziti kullanılır ve yanlış yanıta götüren sinyalleri iptal etmek için yıkıcı kuantum paraziti kullanılır. IBM, süper iletken malzemelerden kübit üretir.

Yüksek lisans öğrencisi ile Gershon, derin öğrenme modellerinin eğitiminin önemli kısımlarını hızlandırmak için kuantum bilgisayarları kullanma olasılığını tartışıyor. Ayrıca, IBM'in bilgi işlem çipinin kuantum durumunu (kübitleri) işlemek ve ölçmek için kalibre edilmiş mikrodalga darbelerini nasıl kullandığını da açıklıyor.

Bir kübit gösterilmeden önce geliştirilen kuantum hesaplama için temel algoritmalar (aşağıda tartışılmıştır), milyonlarca mükemmel, hataya dayanıklı, hata düzeltmeli kübitlerin varlığını varsayıyordu. Şu anda 50 kubitli bilgisayarlarımız var ve mükemmel değiller. Geliştirilmekte olan yeni algoritmaların, şu anda sahip olduğumuz sınırlı sayıdaki gürültülü kübitlerle çalışması amaçlanıyor.

Yale'den teorik bir fizikçi olan Steve Girvin, Gershon'a henüz var olmayan, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlar üzerine yaptığı çalışmaları anlatıyor. İkisi, kuantum uyumsuzluğunun hayal kırıklığını - "Bilginizi yalnızca kuantumunu bu kadar uzun süre tutabilirsiniz" - ve kuantum bilgisayarların basit gözlem eyleminden kaynaklanan gürültüye karşı temel hassasiyetini tartışıyor. Kuantum bilgisayarların beş yıl içinde iklim değişikliğini, kanseri ve. Girvin: "Şu anda kuantum hesaplamanın vakum tüpü veya transistör aşamasındayız ve kuantum entegre devreler icat etmek için uğraşıyoruz."

Kuantum algoritmaları

Gershon'un videosunda bahsettiği gibi, eski kuantum algoritmaları, henüz mevcut olmayan milyonlarca mükemmel, hataya dayanıklı, hata düzeltmeli kübit varsayar. Yine de, vaatlerini anlamak ve kriptografik saldırılarda kullanımlarına karşı korunmak için hangi karşı önlemlerin kullanılabileceğini anlamak için ikisini tartışmaya değer.

Grover algoritması

Grover'ın 1996'da Lov Grover tarafından geliştirilen algoritması, bir fonksiyonun tersini O (√N) adımlarında bulur; sırasız bir listede arama yapmak için de kullanılabilir. O (N) adımlara ihtiyaç duyan klasik yöntemlere göre ikinci dereceden bir hızlanma sağlar.

Grover algoritmasının diğer uygulamaları arasında bir sayı kümesinin ortalamasını ve medyanını tahmin etmek, çarpışma problemini çözmek ve kriptografik hash fonksiyonlarını tersine mühendislik yapmak yer alır. Kriptografik uygulama nedeniyle, araştırmacılar bazen gelecekteki kuantum saldırılarına karşı koruma sağlamak için simetrik anahtar uzunluklarının iki katına çıkarılmasını önermektedir.

Shor'un algoritması

1994'te Peter Shor tarafından geliştirilen Shor'un algoritması, bir tamsayının asal çarpanlarını bulur. Log (N) 'de polinom zamanda çalışır, bu da onu klasik genel sayı alan süzgecinden üssel olarak daha hızlı hale getirir. Bu üstel hızlanma, RSA gibi açık anahtar şifreleme şemalarını kırmayı vaat ediyor, eğer "yeterli" kübitlere sahip kuantum bilgisayarlar olsaydı (tam sayı, çarpanlara ayrılan tamsayının boyutuna bağlı olurdu) kuantum gürültüsü ve diğer kuantum yokluğunda. -decoherence fenomeni.

Kuantum bilgisayarlar, Shor'un algoritmasını RSA şifrelemede kullanılan türden büyük tamsayılara karşı başarılı bir şekilde çalıştırmak için yeterince büyük ve güvenilir hale gelirse, o zaman asal çarpanlara ayırmanın zorluğuna bağlı olmayan yeni "kuantum sonrası" şifreleme sistemlerine ihtiyacımız olacaktır.

Atos'ta kuantum hesaplama simülasyonu

Atos, 30 ila 40 kübite sahipmiş gibi davranan Kuantum Öğrenme Makinesi adlı bir kuantum simülatörü yapar. Donanım / yazılım paketi, bir kuantum derleme programlama dili ve Python tabanlı yüksek düzeyli bir hibrit dil içerir. Cihaz birkaç ulusal laboratuvarda ve teknik üniversitede kullanılıyor.

D-Wave'de kuantum tavlama

D-Wave, genel amaçlı kuantum bilgisayarlardan biraz farklı ve daha az kullanışlı olan DW-2000Q gibi kuantum tavlama sistemlerini yapar. Tavlama süreci, derin öğrenme sinir ağlarını eğitmek için popüler olan stokastik gradyan iniş (SGD) algoritmasına benzer bir şekilde optimizasyon yapar, ancak birçok eşzamanlı başlangıç ​​noktasına ve yerel tepelerden kuantum tünellemeye izin vermesi dışında. D-Wave bilgisayarları, Shor'un algoritması gibi kuantum programlarını çalıştıramaz.

D-Wave, DW-2000Q sisteminin 2.048 kübite ve 6.016 kuplöre sahip olduğunu iddia ediyor. Bu ölçeğe ulaşmak için, bir helyum seyreltme buzdolabıyla 15 mK'nin altına soğutulan süper iletken bir kuantum işleme yongası üzerinde 128.000 Josephson bağlantısı kullanıyor. D-Wave paketi, GitHub'da barındırılan bir açık kaynaklı Python araçları paketi içerir. DW-2000Q birkaç ulusal laboratuvarda, savunma yüklenicilerinde ve küresel kuruluşlarda kullanılmaktadır.

Google AI'da kuantum hesaplama

Google AI, kimya ve malzeme bilimindeki uygulamalarla etkileşen elektronların modellemesine yönelik kuantum algoritmalarında, yaklaşık optimizasyon için hibrit kuantum-klasik çözücüler üzerinde <% 0,5'lik iki kübit geçit hatasını hedefleyen çip tabanlı ölçeklenebilir mimariye sahip süper iletken kübitler üzerinde araştırma yapıyor , kısa vadeli işlemcilerde kuantum sinir ağı uygulamak için bir çerçeve ve kuantum üstünlüğü üzerine.

2018'de Google, Bristlecone adlı 72 kübitlik bir süper iletken yonganın oluşturulduğunu duyurdu. Her bir kübit, 2D dizideki en yakın dört komşuya bağlanabilir. Google'ın Kuantum Yapay Zeka laboratuvarının direktörü Hartmut Neven'e göre, kuantum hesaplama gücü, laboratuvarın sonuçları kendi kuantum bilgisayarlarından kopyalamak için ihtiyaç duyduğu geleneksel CPU sayısına bağlı olarak çift üstel bir eğri üzerinde artıyor.

Google, 2019'un sonlarında, kuantum bilgisayarların Sycamore adlı yeni bir 54-kübit işlemci kullanarak klasik bilgisayarlarda çözülmesi zor olan sorunları çözebilme koşulu olan kuantum üstünlüğüne ulaştığını duyurdu. Google AI Quantum ekibi, bu kuantum üstünlüğü deneyinin sonuçlarını "Programlanabilir Süperiletken İşlemci Kullanarak Kuantum Üstünlüğü" başlıklı Nature makalesinde yayınladı . 

IBM'de kuantum hesaplama

Daha önce tartıştığım videoda Dr. Gershon, "Bu laboratuvarda herkesin kullanabileceği üç kuantum bilgisayar var " dedi. Transmon kübitleri etrafında inşa edilen IBM Q sistemlerine atıfta bulunuyor, esasen yapay atomlar gibi davranacak şekilde yapılandırılmış niyobyum Josephson bağlantıları, kuantum yongası üzerindeki mikrodalga rezonatörlerini ateşleyen mikrodalga darbeleri tarafından kontrol ediliyor, bu da sırayla üzerindeki kübitlere adres veriyor ve bunlara bağlanıyor. işlemci.

IBM, kuantum bilgisayarlarına ve kuantum simülatörlerine erişmek için üç yol sunar. "Herkes" için Qiskit SDK ve devreleri tasarlamak ve test etmek için grafik arayüz sağlayan IBM Q Experience adlı barındırılan bir bulut sürümü (aşağıdaki ekran görüntüsüne bakın) vardır. Sonraki düzeyde, IBM Q Network'ün bir parçası olarak kuruluşlara (üniversiteler ve büyük şirketler) IBM Q'nun en gelişmiş kuantum bilgi işlem sistemlerine ve geliştirme araçlarına erişim sağlanır.

Qiskit, Python 3.5 veya üzerini destekler ve Ubuntu, macOS ve Windows üzerinde çalışır. IBM'in kuantum bilgisayarlarından veya kuantum simülatörlerinden birine bir Qiskit programı göndermek için, IBM Q Experience kimlik bilgilerine ihtiyacınız var. Qiskit, Grover'ın Araması ve kimya, yapay zeka, optimizasyon ve finans uygulamaları gibi algoritmalar sağlayan Aqua adlı bir algoritma ve uygulama kitaplığı içerir.

IBM, New York Eyaleti'ndeki yeni IBM Quantum Computation Center'daki genişletilmiş kuantum bilgisayar filosunun bir parçası olarak 2019'un sonlarında 53 kübitlik yeni nesil IBM Q sistemini tanıttı. Bu bilgisayarlar, IBM'in 150.000'den fazla kayıtlı kullanıcısı ve yaklaşık 80 ticari müşteri, akademik kurum ve araştırma laboratuarının bulutta kullanımına sunulmuştur.

Intel'de kuantum hesaplama

Intel Laboratuarlarında yapılan araştırmalar, doğrudan Intel'in Hillsboro, Oregon'daki 300 milimetrelik üretim tesisinde üretilen bir pakette 49 kübit içeren süper iletken bir kuantum işlemci olan Tangle Lake'in geliştirilmesine yol açtı. Bu cihaz, Intel tarafından üretilen üçüncü nesil kuantum işlemcileri temsil ediyor ve selefinde 17 kübitten yukarı ölçekleniyor. Intel, sistem düzeyinde tasarım üzerinde test etmek ve üzerinde çalışmak için Tangle Lake işlemcileri Hollanda'daki QuTech'e gönderdi.

Intel ayrıca, silikondaki tek bir elektronun mikrodalga darbeleri tarafından kontrol edilen dönüşüne dayalı olarak çalışan spin kübitleri üzerinde de araştırma yapıyor. Süper iletken kübitlerle karşılaştırıldığında, spin kübitleri silikonda çalışan mevcut yarı iletken bileşenlere çok daha yakından benziyor ve potansiyel olarak mevcut üretim tekniklerinden yararlanıyor. Spin kübitlerinin süper iletken kübitlerden çok daha uzun süre tutarlı kalması ve çok daha az yer kaplaması bekleniyor.

Microsoft'ta kuantum hesaplama

Microsoft, 20 yılı aşkın süredir kuantum bilgisayarları araştırmaktadır. Microsoft'un kuantum hesaplama çabasının Ekim 2017'de kamuoyuna duyurusunda Dr. Krysta Svore, topolojik kübitlerin, Q # programlama dilinin ve Kuantum Geliştirme Kitinin (QDK) kullanımı dahil olmak üzere çeşitli atılımlardan bahsetti. Sonunda, Microsoft kuantum bilgisayarları Azure bulutunda yardımcı işlemciler olarak sunulacak.

Topolojik kübitler, süper iletken nanoteller şeklini alır. Bu şemada, elektronun parçaları ayrılabilir ve fiziksel kübitte depolanan bilgiler için artırılmış bir koruma seviyesi yaratılabilir. Bu, Majorana yarı parçacığı olarak bilinen bir topolojik koruma biçimidir. Kendi anti-partikülü gibi davranan garip bir fermiyon olan Majorana yarı parçacığı 1937'de tahmin edilmiş ve ilk kez 2012'de Hollanda'daki Microsoft Quantum laboratuvarında tespit edilmiştir. Topolojik kübit Josephson kavşaklarından daha iyi bir temel sağlar. daha düşük hata oranlarına sahip olduğundan, fiziksel kübitlerin mantıksal, hata düzeltmeli kübitlere oranını düşürür. Bu azaltılmış oran ile, daha mantıklı kübit, seyreltme buzdolabının içine sığabilir ve ölçekleme yeteneği yaratır.

Microsoft, çeşitli şekillerde, bir topolojik Majorana kübitinin, hata düzeltmeli mantıksal kübit cinsinden 10 ila 1.000 Josephson bağlantı kübiti değerinde olduğunu tahmin etmiştir. Bir kenara, bir dalga denklemine dayanarak yarı parçacığı tahmin eden İtalyan teorik fizikçi Ettore Majorana, 25 Mart 1938'de Palermo'dan Napoli'ye bir tekne gezisi sırasında bilinmeyen durumlarda ortadan kayboldu.