Informācija

Google kvantu procesors var sasniegt kvantu pārākumu mēnešos

Google kvantu procesors var sasniegt kvantu pārākumu mēnešos

Lai gan pirms vairākiem mēnešiem es teicu, ka mēs atradīsim veidu, kā atgriezt Mūra likumu, es negaidīju, ka tas samazināsies šādi. Jaunā ziņojumā 2005 Žurnāls Quanta autors: Kevins Hartnets, Google Quantum mākslīgā intelekta laboratorijas direktors Hartmuts Neven atklāj, ka jaudas pieaugums ar katru jaunu Google labākā kvantu procesora uzlabojumu neatšķiras no visa, kas atrodams dabā. Tas pieaug ne tikai ar eksponenciālu ātrumu, piemēram, Mūra likumā, bet arī divkārši eksponenciāla likme, kas nozīmē, ka mēs, iespējams, esam palikuši tikai mēnešus pēc praktiskās kvantu skaitļošanas laikmeta sākuma.

Google Hartmut Neven mums liek gatavoties

Hartneta skaņdarbam vajadzētu būt galvenajam modinātājam pasaulei. Kad mēs esam plānojuši, domājot, ka rīt būs vairāk vai mazāk kā šodien, šķiet, ka kaut kas ārkārtējs notiek Google Quantum AI laboratorijās Santa Barbarā, Kalifornijā. 2018. gada decembrī Neven un viņa komanda sāka veikt aprēķinus par uzņēmuma labāko kvantu procesoru, kad viņi sāka redzēt kaut ko neticamu.

SAISTĪTĀS: NEKĀDI TRANZISTORI: MOORE LIKUMA BEIGAS

"Viņi spēja reproducēt [kvantu procesora] aprēķinu, izmantojot parasto klēpjdatoru," raksta Hartnets. "Tad janvārī viņi veica to pašu testu ar uzlabotu kvantu mikroshēmas versiju. Šoreiz viņiem bija jāizmanto jaudīgs galda dators, lai imitētu rezultātu. Līdz februārim ēkā vairs nebija neviena klasiska datora, kas varētu simulēt. pētniekiem bija jāpieprasa laiks Google milzīgajā serveru tīklā, lai to izdarītu.

"Kaut kur februārī man vajadzēja piezvanīt, lai teiktu:" Hei, mums vajag vairāk kvotu, "sacīja Nevens Hartnetam." Mēs vadījām darbus, kas sastāvēja no miljona procesoru. "

Google vislabākais kvantu procesors darīja kaut ko tādu, kam pēc būtības nav acīmredzamu paralēļu. "Divkārši eksponenciāls pieaugums," raksta Hartnets, "ir tik vienskaitlī, ka reālos apstākļos ir grūti atrast tā piemērus. Kvantu skaitļošanas progresa ātrums var būt pirmais."

Neven pirmo reizi identificēto kvantu skaitļošanas ātrumu nepārspējamo paātrinājumu Google pētnieki sāka saukt par Neven's Law ar ne tik smalku atsauci uz klasiskās skaitļošanas Moore likumu, bet ar atšķirību. Viņi ir sava veida, taču tas, kas notiek Google tīklā, nav vienkārši Mūra likuma atgriešanās kvantu laikmetā; Neven likums mums rāda, ka mēs tikai dažu mēnešu laikā varam ienirt pilnīgi svešā pasaulē.

Kāpēc Mūra likums turpina būt svarīgs arī pēc nāves

Pēdējo desmit gadu laikā datorzinātnieki un inženieri ir paredzējuši šķietami pēkšņo progresa beigas. Mūra likums, aptuvena vadlīnija, kurā teikts, ka silīcija tranzistora izmēru var samazināt apmēram uz pusi apmēram ik pēc diviem gadiem, jau pāris gadus ir nomāts.

Kamēr tā dzīvoja, tā spēja sabāzt arvien vairāk tranzistoru uz dažāda lieluma mikroshēmām, vispirms dodot iespēju lieldatoriem, pēc tam serveriem, pēc tam personālajiem datoriem un tagad mobilajām ierīcēm. Ik pēc pāris gadiem katra jaunā ierīce nebija tikai uzlabojums; vienā desmitgadē notiktu revolucionāras tehnoloģiskas izmaiņas tik bieži, cik divas vai trīs reizes.

Apstrādes jaudas dubultošanās katras datora mikroshēmas paaudzē ik pēc diviem gadiem un šī pieauguma ātruma sekas ir lēciens, kas veikts, pārejot no perfokartes datoriem, aprēķinot Apollo astronautu lidojuma trajektorijas uz Mēnesi, līdz bērna dzimšanai un nobriešanai. Internets, ātri kabatā degoši datori un neironu tīkli, kas mazāk nekā 50 gadu laikā spēj vadīt visu Ķīnas pilsētu civildienesta infrastruktūru.

Ar silīcija tranzistoru veiktais cilvēces tehnoloģiskais lēciens bija vienīgais lielākais jauninājums cilvēces vēsturē. Neviens cits atklājums vai izgudrojums, pat ne uguns, mūsu cilvēciskajā pieredzē nav tik daudz pārveidojies tik ātri - un mēs jau vismaz desmit gadus zinām, ka šāds pārmaiņu temps nevarētu turpināties mūžīgi. Tā kā tranzistori ir samazināti tikai līdz septiņiem nanometriem, inženieri cīnās par elektriskā lādiņa plūsmu kanālos, kuru sienas ir tikai atomu biezas.

Padariet tranzistoru par mazāku, un elektriskā strāva, kas nodrošina procesora aprēķinus un loģiku, vienkārši izlec kanālu vai izplūst no komponentes pēc tam, kad laika gaitā tiek traucēti atomi, kas domāti elektronu plūsmas ierobežošanai.

Kad vairāk tranzistoru sāk nedarboties un izlādē savus elektronus citās sastāvdaļās, arī tie ātrāk nolietojas un piedzīvo lielāku kļūdu līmeni, kavējot procesora darbību kopumā, līdz visa lieta kļūst par bezjēdzīgu, noplūdušu elektronu sietu.

Tā kā inženieri nespēj stabilizēt procesora komponentus, ja tie ir mazāki, silīcija mikroshēma ir sasniegusi savu fizisko robežu - izbeidzot Mūra likumu un līdz ar to arī cerību, ka pēc diviem gadiem datori būs divreiz ātrāki nekā tie ir šodien.

Tas mums nemaz nepatīk, lai neteiktu vairāk. Mēs varam redzēt, ka tehnoloģiskais potenciāls sasniedz maksimumu pie horizonta; nonākt tik tuvu un atturēties no fiziskiem likumiem ir tāda veida lieta, kas vispirms mūs pamudināja ieviest jauninājumus.

Tātad, ko jūs darāt, ja nevarat izveidot ātrāku datoru, izmantojot atomu svarus? Zinātnieki un inženieri neizbēgami spēra nākamo soli un meklēja kaut ko mazāku par atomu, lai atbildētu uz kvantu mehāniku.

Kvantu pasaule

Kvantu pasaule tomēr nemaz nav līdzīga klasiskajai pasaulei. Eksotiskās subatomiskās daļiņas izturas grūti pieņemamā veidā. Viņi var pūst tieši caur fundamentāliem fizikas likumiem, nepalaidot garām soli, kā to dara kvantu sapīšanās, kad sapārotās daļiņas uzreiz sazinās savā starpā, pat ja tās atrodas Visuma pretējās pusēs.

Pats Šrēdingers, viens no galvenajiem kvantu mehānikas atklājējiem, ierosināja savu slaveno domu eksperimentu par kaķi kastē, kas vienlaikus ir gan dzīvs, gan miris, lai parādītu, cik absolūti absurdas kļūst viņa teorijas. Viņš nespēja noticēt, ka ir tieši tā, kā parādījās.

Lai cik tas būtu satraucoši, neizbēgams fakts ir tas, ka Šrēdingera kaķis patiešām ir gan dzīvs, gan miris vienlaikus un paliks tāds, kamēr novērotājs atvērs lodziņu, lai to pārbaudītu; tas ir brīdis, kad Visumam tīri nejauši jāizlemj, kāds patiesībā ir kaķa galīgais stāvoklis.

Ne tikai šī Šrēdingera kaķa superpozīcija ir pierādīta praksē, bet daļiņu superpozīcija ir arī vieta, kur rodas kvantu datora spēks.

Darbojoties ar daļiņu superpozīcijā - to sauc par a kvantu bitsvai qubit- kvantu atmiņā ar daudz mazāk bitu nekā klasiskajos datoros un operācijās ar a. var ievietot pilnīgi vairāk datu qubit pieteikties visas iespējamās vērtības to qubit uzņemas. Kad šie kubiti ir savienoti pārī ar citiem savstarpēji atkarīgiem kubiti- var veikt ievērojami sarežģītākas loģiskās darbības ievērojami īsākā laikā.

Šis potenciāls krasi uzlabotam apstrādes ātrumam, salīdzinot ar klasiskajiem procesoriem, ir tas, kas šobrīd ļoti lielā mērā rosina kvantu skaitļošanu. Tas ir mūsu veids, kā saglabāt pašreizējo progresa ātrumu, kas Mūra likuma beigās vairs nav ierobežots līdz ūdens malai.

Kā tiek garantēta kvantu skaitļošana, lai uzlabotu mūsu tehnoloģijas

Tātad, cik spēcīgs tieši tad ir kvantu skaitļošana? Ko šis ātrums reāli izsaka? Kādu laiku atbilde nebija nekas. Tā faktiski bija smieklīga ideja, kuru neviens īsti neuztvēra nopietni.

Piedāvāts dažādos veidos gadu gaitā akadēmiskajos dokumentos kopš 1970. gadiem, tas parādījās ik pa laikam, bet ne tikai nebija iespējams iedomāties šādu sistēmu praksē; šādai mašīnai nebūtu reāla mērķa, lai attaisnotu pat naudas ieguldīšanu tās izmeklēšanai. Tad 1994. gadā matemātiķis Pīters Šors publicēja darbu, kas visu mainīja.

Šors izveidoja algoritmu, kas uzlauza nežēlīgi neatrisināmu matemātikas problēmu, kas ir pamats mūsdienu RSA kriptogrāfijai, veselu skaitļu galvenā faktorizācijas problēmai. Galvenais faktoru faktors, kas sastāv no vairāku tūkstošu ciparu gara vesela skaitļa, vienkārši nav tas, ko klasisks dators var paveikt efektīvi, neatkarīgi no tā, cik daudz procesoru jūs tajā izmetat; nepieciešamie algoritmi vai nu nav zināmi, vai arī to nav.

Pat tad, kad mūsdienu datori kļuva jaudīgāki un varēja izmantot neapstrādātu apstrādes jaudu, lai uzlauztu agrākus 256 bitu, 512 bitu un vēl lielākus bitu skaita šifrēšanas atslēgas, viss, kas jums jādara, ir reizināt ar jūsu izmantoto bitu skaitu atslēga pa diviem, un jūsu jaunā shēma bija burtiski eksponenciāli spēcīgāka nekā tā, kas tikko ieplīsa.

Klasiskais dators šo problēmu risināšanā nedarbojas eksponenciāli labāk, palielinoties iesaistītajam skaitam. Šis ierobežojums, kas pazīstams kā laika sarežģītība, galu galā dažas lietas pārsniedz klasiskās datoru iespējas, lai tās patiešām varētu atrisināt. RSA šifrēšanas atslēgu pagarināšana var ļoti ātri sākt pievienot miljoniem, miljardiem un pat triljoniem gadu laika, kas vajadzīgs, lai šifrēšanas atslēgu uzlauztu, izmantojot klasisko datoru.

Shor parādīja, ka kvītu superpozīcijas izmantošana ļautu ievērojami ātrāk atrisināt faktorizācijas problēmu. Visgrūtākās RSA šifrēšanas atvēršana vēl varētu aizņemt ilgu laiku, bet triljonu triljonu gadu problēma tika izveidota par 2 līdz 5 gadu problēmu ar kvantu datoru - un tikai ar kvantu datoru.

Ja Nevenas likums būs spēkā, kvantu skaitļošana būs šeit mazāk nekā gadu

Cilvēki beidzot to pamanīja pēc tam, kad Šors publicēja savu darbu un saprata, ka tas ir kaut kas pilnīgi atšķirīgs no klasiskās skaitļošanas, un, iespējams, lieluma pakāpes ir jaudīgākas.

Cilvēki sāka redzēt potenciālu, bet vairāk nekā 20 gadu laikā kopš Šora algoritma parādīšanās, šī algoritma un, iespējams, dažu citu gadu laikā publicēto kvantu algoritmu palaišana ir vienīgais iemesls, kāpēc mums kādreiz būtu vajadzīgs kvantu dators vieta. Mums ir teicis, ka tas visu mainīs, un mēs esam gaidījuši, jo šķiet, ka realitātē notiek ļoti, ļoti maz.

Pat daudzi datorzinātņu profesionāļi, ieskaitot doktorus un nozares veterānus, kuri zina zinātni, kas slēpjas aiz tā visa, ir pauduši skepsi, ka kvantu skaitļošana sniegs reizēm neticamu solījumu. Tas tomēr var mainīties, pēc tam, kad Neven maijā nonāca publiskajā telpā par Google kvantu procesoru neticamo izaugsmi Google Kvantu pavasara simpozijā un iepazīstināja pasauli ar "likumu", kas nes viņa vārdu.

Viņš atklāja, ka tas, ko viņš un pārējā Google kvantu skaitļošanas komanda skatījās, bija kvantu skaitļošanas jaudas "divkārt eksponenciāls" pieaugums salīdzinājumā ar klasisko skaitļošanu: "izskatās, ka nekas nenotiek, nekas nenotiek, un tad pēkšņi tu "Jūs atrodaties citā pasaulē," viņš teica. "Tas ir tas, ko mēs šeit piedzīvojam."

Ko faktiski nozīmē eksponenciāla izaugsme?

Saskaņā ar Neven teikto, ir divi faktori, kas apvieno šo neticamo izaugsmes ātrumu, ko Google redz savā kvantu datoru mikroshēmās.

Pirmais vienkārši ir dabiskā eksponenciālā priekšrocība, kas kvantu skaitļošanai ir salīdzinājumā ar klasisko datoru. Ja klasiskie biti jebkurā brīdī var būt tikai vienā stāvoklī, vai 0, kvīts superpozīcijā ir gan 1 un 0. Tas nozīmē, ka kvīts kļūst eksponenciāli efektīvāks attiecībā uz datu parādīšanu un apstrādi katrai pievienotajai papildu kvitai. Jebkuram noteiktajam kvītu skaitam n kvantu procesorā viņi veic to pašu darbu vai glabā tādu pašu datu daudzumu kā 2n klasiskie biti. 2 kubiti ir vienāds 4 biti, 4 kubiti ir vienāds 16 biti, 16 kubiti ir vienāds 65, 536 biti, un tā tālāk.

Otrais ir tiešāk saistīts ar uzlabojumiem, ko Google veic saviem kvantu procesoriem. Saskaņā ar Neven teikto, Google redz, ka viņu labākie kvantu procesori uzlabojas ar eksponenciālu ātrumu, ko IBM ir redzējis arī ar savu IBM Q System One. Kopā, Neven saka, jūs iegūstat divkāršu eksponenciālu kvantu skaitļošanas pieauguma ātrumu salīdzinājumā ar klasisko skaitļošanu.

Kā izskatās divkārt eksponenciāla izaugsme? Klasiskā eksponenciālās izaugsmes funkcija, strādājot ar bitiem, acīmredzami dubultojas, funkcija ir definēta kā 2n binārajās sistēmās. Kā jūs dubultojat dubultošanu? Vienkārši nomainiet n dubultošanas funkcijā ar citu dubultošanas funkciju, vai 22n.

Tā kā Mūra likums ir dubultošanas funkcija, mēs varam šādi attēlot Mūra likumu, kur n ir divu gadu intervāls:

n Klasiskā skaitļošanas jauda (2n)
* 1 2

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

Tātad, ko dara Neven likums izskatās ka? Tas izskatītos apmēram šādi, kur n ir vienāds ar katru jaunu Google kvantu procesora uzlabojumu:

n 2n 2(2n) Kvantu skaitļošanas jauda salīdzinājumā ar klasisko skaitļošanas jaudu

* 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

Pēc tam, kad saraksts iet augstāk 6, skaitļi sāk kļūt tik lieli un abstrakti, ka zaudējat izpratni par plaisu starp to, kur atrodas Google un kur tas būs nākamajā solī.

Mūra likuma gadījumā tas sākās 1970. gadi katru gadu divkāršojas, pirms tiek pārskatīts līdz apmēram reizi divos gados. Saskaņā ar Neven teikto, Google eksponenciāli palielina savu procesoru jaudu katru mēnesi līdz pusmēnesim. Ja 2018. gada decembris ir 1 šajā sarakstā, kad Neven pirmo reizi sāka savus aprēķinus, tad mēs jau esam starp 5 un 7.

In 2019. gada decembris, tikai pēc sešiem mēnešiem Google kvantu skaitļošanas procesora jauda varētu būt jebkur 24096 reizes līdz 28192 reizes spēcīgākas, nekā tas bija gada sākumā. Pēc Nevenas stāstītā, līdz februārim - tikai trīs mēneši pēc tam, kad viņi sāka testus, tātad 3 mūsu sarakstā -, tur bijavairs nav nekādu klasisko datoru ēkā, kas varētu atjaunot Google kvantu datora aprēķinu rezultātus, ko klēpjdators bija tikko izdarījis divus mēnešus agrāk.

Neven teica, ka rezultātā Google gatavojas sasniegt kvantu pārākums- punkts, kurā kvantu datori sāk pārspēt superdatorus, kas imitē kvantu algoritmus - tikai jautājumā mēnešus, nevis gadiem: "Mēs bieži sakām, ka domājam, ka to sasniegsim 2019. gadā. Raksts ir uz sienas."

Skepse ir pamatota

Ir svarīgi uzsvērt, ka šis jaudas pieaugums ir salīdzināms ar klasiskā datora jaudu, nevis absolūts mērs, un ka kvantu skaitļošanas sākuma punkts ne tik sen būtu salīdzināms ar UNIVAC vakuuma cauruļu laikmeta datori no 1940. gadi un 1950. gadi.

Liela daļa kvantu skaitļošanas teorētiski-datorzinātņu joprojām tiek rakstīta un apspriesta, un ir tādi, kuriem ir šaubas par to, vai tiešām notiek "divkārt eksponenciāla" izaugsme salīdzinājumā ar klasisko skaitļošanu.

Galu galā Mūra likums var tikt izdarīts, taču klasiskā skaitļošana nav mirusi, tā turpina uzlaboties līdz šai dienai un turpinās to darīt, jo tiek izstrādāti jauni algoritmi, kas uzlabo klasisko datoru efektivitāti.

Tomēr citi saka, ka nepietiek tikai samazināt vai apstrīdēt straujo progresu, ko Google apgalvo saviem kvantu procesoriem. IBM, iespējams, ir pieticīgāks savās prognozēs par kvantu pārākumu, taču viņi ir pārliecināti, ka to var sasniegt apmēram trīs gadu laikā. Pirms pieciem gadiem daudzi domāja, ka mēs neredzēsim kvantu datoru līdz 2025. gadam vai pat līdz 2030. gadam un pēc tam.

Tagad izskatās, ka līdz Ziemassvētkiem mēs pat varam redzēt reālo darījumu, un nav pamata domāt, ka kvantu datoru jauda turpinās pieaugt vēl vairāk, tiklīdz Google vai IBM vai pat kāds cits sasniegs patiesību kvantu pārākums.


Skatīties video: JFS 10-8: M. Auziņa lekcija par kvantu fiziku (Janvāris 2022).