Informace

Kvantový procesor Google může dosáhnout kvantové nadvlády za měsíce

Kvantový procesor Google může dosáhnout kvantové nadvlády za měsíce

I když jsem před několika měsíci řekl, že najdeme způsob, jak přivést Mooreův zákon zpět, nečekal jsem, že to takto poklesne. V nové zprávě v Časopis Quanta Kevin Hartnett, Hartmut Neven, ředitel laboratoře Quantum Artificial Intelligence Lab společnosti Google, odhaluje, že růst výkonu s každým novým vylepšením nejlepšího kvantového procesoru Google se nepodobá ničemu v přírodě. Roste nejen exponenciálním tempem, jako v Mooreově zákoně, ale i dvojnásobně exponenciální sazba, což znamená, že můžeme být pouhé měsíce od začátku praktické éry kvantového výpočtu.

Hartmut Neven z Googlu nám říká, abychom se připravili

Hartnettovo dílo by mělo být pro svět velkým budíčkem. Když jsme pokračovali v domnění, že zítřek bude více či méně jako dnes, zdá se, že v laboratořích Quantum AI společnosti Google v Santa Barbaře v Kalifornii se odehrává něco mimořádného. V prosinci 2018 začal Neven a jeho tým provádět výpočet nejlepšího kvantového procesoru společnosti, když začali vidět něco neuvěřitelného.

SOUVISEJÍCÍ: ŽÁDNÉ VÍCE TRANSISTORŮ: KONEC MOOREHO PRÁVA

„Byli schopni reprodukovat výpočet [kvantového procesoru] pomocí běžného notebooku,“ píše Hartnett. „V lednu pak provedli stejný test vylepšené verze kvantového čipu. Tentokrát museli k simulaci výsledku použít výkonný stolní počítač. V únoru již v budově nebyly žádné klasické počítače, které by mohly simulovat jejich kvantové protějšky. Vědci k tomu museli požádat o čas v obrovské síti serverů Google.

„Někde v únoru jsem musel volat, abych řekl:„ Hej, potřebujeme více kvót, “řekl Nevens Hartnettovi.„ Provozovali jsme úlohy složené z milionu procesorů. “

Nejvýkonnější kvantový procesor společnosti Google dělal něco, co nemá v přírodě zjevné paralely. „Dvojnásobný exponenciální růst,“ píše Hartnett, „je tak jedinečný, že je těžké najít jeho příklady v reálném světě. Rychlost pokroku v kvantové práci na počítači může být první.“

Bezkonkurenční zrychlení rychlosti kvantového výpočtu, které Neven poprvé identifikoval, začali vědci Googlu nazývat Nevenův zákon v nepříliš jemném odkazu na Mooreův zákon klasického výpočtu, ale s rozdílem. Jsou svého druhu, ale to, co se děje ve společnosti Google, není jen návrat Mooreova zákona pro kvantovou éru; Nevenův zákon nám ukazuje, že se můžeme za pár měsíců ponořit do zcela mimozemského světa.

Proč Moorův zákon nadále záleží i po jeho zániku

V posledním desetiletí počítačoví vědci a inženýři očekávali zdánlivě náhlý konec pokroku. Moorův zákon, hrubý pokyn, který říká, že křemíkový tranzistor lze zmenšit přibližně o polovinu přibližně každé dva roky, je již několik let funkčně mrtvý.

Zatímco to žilo, dokázalo nacpat stále více tranzistorů na čipy různých velikostí, nejprve zmocňovalo mainframy, pak servery, pak osobní počítače a nyní mobilní zařízení. Každých pár let nebylo každé nové zařízení jen vylepšením; došlo by k revolučním technologickým změnám až dvakrát nebo třikrát za jediné desetiletí.

Zdvojnásobení zpracovatelského výkonu v každé generaci počítačových čipů každé dva roky a důsledek této rychlosti růstu je skok, který nastal přechodem od počítačů s děrovacími kartami, které vypočítávaly letové dráhy astronautů Apolla mířících na Měsíc, k narození a zrání Internet, bleskové rychlé počítače v našich kapsách a neuronové sítě, které dokážou provozovat celou infrastrukturu veřejné správy měst v Číně za méně než 50 let.

Technologický skok lidstva vyrobený pomocí křemíkového tranzistoru byl jedinou největší inovací v lidské historii. Žádný jiný objev nebo vynález, dokonce ani oheň, se v našich lidských zkušenostech neproměnil tak rychle a rychle - a už nejméně deset let víme, že toto tempo změn nemohlo pokračovat věčně. Vzhledem k tomu, že tranzistory jsou redukovány na pouhých sedm nanometrů, snaží se inženýři udržet elektrický náboj tekoucí v kanálech, jejichž stěny jsou tlusté pouze atomy.

Zmenšete tranzistor a elektrický proud, který napájí výpočty a logiku procesoru, jednoduše přeskočí kanál nebo unikne z komponenty poté, co jsou atomy, které mají obsahovat tok elektronů, v průběhu času narušeny.

Jak více tranzistorů začíná selhávat a propouštět své elektrony do jiných komponent, příliš rychle se opotřebovávají a vykazují vyšší míru chyb, což brzdí výkon procesoru jako celku, dokud se celá věc nestane zbytečným prosakujícím sítem elektronů.

Jelikož inženýři nemohou stabilizovat komponenty procesoru, pokud se zmenší, dosáhl křemíkový čip svého fyzického limitu - ukončil Mooreův zákon a s ním i očekávání, že dva roky ode dneška budou počítače dvakrát rychlejší než jsou dnes.

To se nám přinejmenším vůbec nelíbí. Vidíme, jak technologický potenciál vrcholí na obzoru; přiblížit se tak blízko a nechat se omezovat fyzikálními zákony, to je věc, která nás jako první vedla k inovacím.

Co tedy dělat, když nemůžete vytvořit rychlejší počítač pomocí atomových vah? Vědci a inženýři nevyhnutelně udělali další krok a pro odpověď hledali něco menšího než atom, kvantovou mechaniku.

Kvantový svět

Kvantový svět však vůbec není jako klasický svět. Exotické subatomární částice se chovají způsoby, které je těžké přijmout. Mohou vyfouknout základní zákony fyziky, aniž by jim unikl krok, jako to dělá kvantové zapletení, když spárované částice mezi sebou okamžitě komunikují, i když jsou na opačných stranách vesmíru.

Sám Schroedinger, jeden z hlavních objevitelů kvantové mechaniky, navrhl svůj slavný myšlenkový experiment o kočce v krabici, která je živá i mrtvá zároveň, aby demonstroval, jak absolutně absurdní se jeho teorie stávají. Nemohl uvěřit, že to bylo přesně tak, jak se zdálo.

Jakkoli to bylo šílené, nevyhnutelným faktem je, že Schroedingerova kočka je skutečně živá i mrtvá ve stejnou dobu a zůstane jím, dokud ji pozorovatel neotevře; to je okamžik, kdy vesmír musí čistě náhodným způsobem rozhodnout, jaký je konečný stav kočky.

Nejen, že tato superpozice Schroedingerovy kočky byla v praxi prokázána, ale superpozice částic je také zdrojem síly kvantového počítače.

Provozováním částice v superpozici - zvané a kvantový bitnebo qubit--v kvantové paměti s mnohem menším počtem bitů než v klasických počítačích lze uložit mnohem více dat a operace na a qubit použít na všechny možné hodnoty že qubit přebírá. Když tyto qubits jsou spárovány s jinými vzájemně závislými qubits- může provádět podstatně složitější logické operace za výrazně kratší dobu.

Tento potenciál drasticky vylepšené rychlosti zpracování oproti klasickým procesorům právě teď řídí tolik humbuku kolem kvantových výpočtů. Je to náš způsob, jak udržet současnou rychlost pokroku, již se neomezuje na okraj vody do konce Moorova zákona.

Jak je zaručeno, že kvantová výpočetní technika rozšíří naši technologii

Jak mocná je tedy kvantová práce právě tehdy? Na co se tato rychlost ve skutečnosti promítá? Odpověď na chvíli nebyla nic. Byl to vlastně absurdní nápad, který nikdo opravdu nebral vážně.

Navrhovaný různými způsoby v průběhu let v akademických pracích od 70. let, objevoval se každou chvíli, ale nejen to bylo nemožné si představit takový systém v praxi; takový stroj by nesloužil žádnému skutečnému účelu, který by ospravedlňoval dokonce i investování peněz do jejich vyšetřování. V roce 1994 pak matematik Peter Shor publikoval článek, který všechno změnil.

Shor vytvořil algoritmus, který otevřel brutálně neřešitelný matematický problém, který je základem pro moderní kryptografii RSA, problém primární faktorizace celých čísel. Prime factorizing několik tisíc číslic dlouhé celé číslo prostě není něco, co klasický počítač dokáže efektivně, bez ohledu na to, kolik procesorů do něj vrhnete; potřebné algoritmy buď nejsou známy, nebo neexistují.

I když se moderní počítače staly výkonnějšími a dokázaly využít surový výpočetní výkon k prolomení dřívějších 256bitových, 512bitových a ještě vyšších šifrovacích klíčů s počtem bitů, vše, co musíte udělat, je znásobit počet bitů použitý klíč o dva a vaše nové schéma bylo doslova exponenciálně silnější než to, které právě prasklo.

Se zvyšujícím se počtem klasických počítačů není řešení těchto problémů exponenciálně lepší. Toto omezení, známé jako časová složitost, nakonec posunulo některé věci nad kapacitu klasických počítačů, aby je bylo možné skutečně vyřešit. Prodloužení šifrovacích klíčů RSA může velmi rychle začít přidávat miliony, miliardy nebo dokonce biliony let k času potřebnému k prolomení šifrovacího klíče pomocí klasického počítače.

Shor ukázal, že použití superpozice qubitů vám umožní vyřešit faktorizační problém podstatně rychleji. Stále může trvat dlouhou dobu, než se rozbije nejtvrdší šifrování RSA, ale problém z bilionu-bilionů roků se stal problémem 2 až 5 let s kvantovým počítačem - a pouze s kvantovým počítačem.

Pokud vyprší Nevenův zákon, bude zde kvantová práce za necelý rok

Lidé si toho nakonec všimli poté, co Shor publikoval svůj článek, a uvědomili si, že je to něco úplně jiného než klasické výpočty a potenciálně řádově silnější.

Lidé začali vidět tento potenciál, ale za 20 a více let, kdy se poprvé objevil Shorův algoritmus, byl tento algoritmus a možná několik dalších kvantových algoritmů publikovaných v následujících letech jediným důvodem, proč jsme vůbec někdy potřebovali kvantový počítač místo. Bylo nám řečeno, že to všechno změní, a čekali jsme, jak se ve skutečnosti zdá, že se děje velmi, velmi málo.

Dokonce i mnoho profesionálů v oboru počítačové vědy, včetně doktorandů a průmyslových veteránů, kteří znají vědu, která za tím vším stojí, vyjádřilo skepsi, že kvantové výpočty dají svůj neuvěřitelný slib. To se však může změnit, poté, co Neven v květnu zveřejnil informace o neuvěřitelném růstu kvantových procesorů Google na sympoziu Google Quantum Spring a představil světu „Zákon“, který nese jeho jméno.

Odhalil, že to, na co se on a zbytek týmu kvantové výpočetní techniky Google dívali, byl „dvojnásobně exponenciální“ růst kvantové výpočetní síly ve srovnání s klasickým výpočtem: „vypadá to, že se nic neděje, nic se neděje, a pak kdosi, najednou ty Jsem v jiném světě, “řekl. „To je to, co zde zažíváme.“

Co ve skutečnosti znamená nepochybně exponenciální růst?

Podle Nevena existují dva faktory, které kombinují, aby vytvořily tuto neuvěřitelnou míru růstu, kterou Google vidí ve svých kvantových počítačových čipech.

Prvním z nich je přirozená exponenciální výhoda, kterou má kvantový výpočet oproti klasickému počítači. Kde klasické bity mohou být v daném okamžiku pouze v jednom stavu, 1 nebo 0, qubit v superpozici je oba 1 a 0. To znamená, že qubit se stává exponenciálně efektivnějším, pokud jde o reprezentaci a zpracování dat pro každý další přidaný qubit. Pro libovolný daný počet qubitů n v kvantovém procesoru dělají stejnou práci nebo drží stejné množství dat jako 2n klasické bity. 2 qubits rovná se 4 bity, 4 qubits rovná se 16 bitů, 16 qubitů rovná se 65, 536 bitů, a tak dále.

Druhý se přímo týká vylepšení, která Google provádí ve svých kvantových procesorech. Podle Nevena Google vidí, že jejich nejlepší kvantové procesory se zlepšují exponenciálním tempem, což IBM viděla také se svými IBM Q System One. Celkově vzato, říká Neven, skončíte s dvojnásobně exponenciální rychlostí růstu kvantového výpočtu ve srovnání s klasickým výpočtem.

Jak vypadá dvojnásobně exponenciální růst? Klasická funkce exponenciálního růstu při práci s bity se zjevně zdvojnásobuje, což je funkce definovaná jako 2n v binárních systémech. Jak zdvojnásobíte zdvojnásobení? Jednoduše vyměňte n ve funkci zdvojení s jinou funkcí zdvojení nebo 22n.

Protože Mooreův zákon je zdvojnásobující funkce, můžeme Mooreův zákon reprezentovat takto, kde n představuje dvouletý interval:

n Klasický výpočetní výkon (2n)
* 1 2

* 2 4
* 3 8
* 4 16
* 5 32
* 6 64
* 7 128
* 8 256
* 9 512
* 10 1024

Co tedy dělá? Nevenův zákon vypadat jako? Vypadalo by to asi takto, kde n rovná se každé nové vylepšení kvantového procesoru Google:

n 2n 2(2n) Kvantový výpočetní výkon ve srovnání s klasickým výpočetním výkonem

* 1 2 2 4
* 2 4 24 16
* 3 8 28 256
* 4 16 216 65,536
* 5 32 232 4,294,967,296
* 6 64 264 18,446,744,073,709,551,616
* 7 128 2128 3.4028236692093846346337460743177e + 38
* 8 256 2256 1,1579208923731619542357098500869e + 77
* 9 512 2512 1.3407807929942597099574024998206e + 154
* 10 1024 21024 1.797693134862315907729305190789e + 308

Poté, co seznam přejde výše 6čísla začínají být tak velká a abstrahovaná, že v dalším kroku ztratíte smysl pro propast mezi tím, kde je Google a kde bude.

V případě Mooreova zákona to začalo v Sedmdesátá léta jako zdvojnásobení každý rok, než bude revidován až přibližně každé dva roky. Podle Nevena Google exponenciálně zvyšuje výkon svých procesorů na a měsíční až půlměsíční bázi. Li Prosince 2018 je 1 na tomto seznamu, když Neven poprvé zahájil výpočty, jsme již mezi 5 a 7.

v Prosinec 2019, za pouhých šest měsíců ode dne může být síla kvantového výpočetního procesoru Google kdekoli 24096 krát do 28192 krát tak silný jako na začátku roku. Podle Nevenova vyprávění, pouze do února tři měsíce poté, co zahájili testy, tak 3 na našem seznamu--, bylyuž žádné klasické počítače v budově, která by mohla znovu vytvořit výsledky výpočtů kvantového počítače Google, které právě dělal notebook dva měsíce dříve.

Neven uvedl, že ve výsledku se Google chystá dosáhnout kvantová nadvláda- bod, kdy kvantové počítače začínají překonávat superpočítače simulující kvantové algoritmy - a to jen měsíce, ne let: "Často říkáme, že si myslíme, že toho dosáhneme v roce 2019. Psaní je na zdi."

Skepticismus je na místě

Je důležité zdůraznit, že tento růst síly je relativní k síle klasického počítače, nikoli absolutní míra, a že výchozí bod pro kvantové výpočty, ne tak dávno, by byl srovnatelný s UNIVAC počítače vakuové elektronky z 40. léta a 1950.

Hodně ze základní teoreticko-počítačové vědy o kvantových počítačích se stále píše a diskutuje a existují lidé, kteří mají pochybnosti o tom, zda skutečně dochází k „dvojnásobně exponenciálnímu“ růstu ve srovnání s klasickým výpočtem.

Mooreův zákon lze koneckonců udělat, ale klasický výpočet není mrtvý, stále se zdokonaluje dodnes a bude tomu tak i při vývoji nových algoritmů, které zlepšují účinnost klasických počítačů.

Jiní stále říkají, že nestačí jen bagatelizovat nebo zpochybňovat rychlý pokrok, který Google požaduje pro své kvantové procesory. IBM může být skromnější ve svých předpovědích o kvantové nadvládě, ale věří, že toho mohou dosáhnout za přibližně tři roky. Před pěti lety si mnozí mysleli, že kvantový počítač neuvidíme do roku 2025 nebo dokonce až v roce 2030 a dále.

Nyní to vypadá, že se do Vánoc můžeme dokonce dočkat skutečného řešení, a není důvod si myslet, že výkon kvantových počítačů se nebude dále zvyšovat, jakmile Google nebo IBM nebo dokonce někdo jiný dosáhne skutečné hodnoty kvantová nadvláda.


Podívejte se na video: Pavel Cejnar - Kvantové divy MFF FJDP (Leden 2022).