Il calcolo quantistico è più vicino alla realtà?

L'informatica quantistica - l'idea di lavorare con computer che mostrano proprietà quantistiche, come essere in grado di contenere più stati contemporaneamente - è stata discussa da molto tempo, ma ora sembra avvicinarsi alla realtà, con alcuni grandi progressi. Alla conferenza Techonomy della scorsa settimana, ho avuto l'opportunità di ospitare un panel sull'argomento con i leader di alcune delle aziende che stanno spingendo la busta su questo argomento, tra cui D-Wave e IBM.

Bryan Jacobs, un consulente di Berberian & Company, che offre consulenza sull'informatica quantistica, ha spiegato che in tutta l'elettronica che usiamo oggi, le informazioni vengono archiviate attraverso la carica di un elettrone che è acceso o spento; in altre parole, un po '. Ma se codifichi l'informazione in uno stato quantico, come un singolo elettrone o un fotone, puoi mapparla in uno zero e uno, proprio come un normale bit classico, ma anche una sovrapposizione, dove può essere zero e uno contemporaneamente. Ha spiegato che l'idea interessante è che se si dispone di un computer quantistico che ha un gran numero di questi bit quantici, spesso chiamati qubit, è possibile avviarlo in una sovrapposizione di tutti gli input possibili allo stesso tempo, e quindi, se è possibile elaborare le informazioni in modo quantico coerente, in un certo senso è possibile calcolare la stessa funzione su tutti gli input possibili contemporaneamente. È noto come parallelismo quantistico. Ha notato che ci sono un paio di approcci diversi che le persone stanno provando oggi: uno è basato su gate, che è più simile ai computer digitali tradizionali, e l'altro è simile a un processo analogico, noto come ricottura quantistica.

Vern Brownell, CEO di D-Wave Systems, che in realtà ha fornito alcune macchine che utilizzano la ricottura quantistica, ha affermato che la sua azienda ha scelto di utilizzare prima questo approccio "perché pensavamo che ciò ci avrebbe dato capacità più velocemente di qualsiasi altro tipo di quantum implementazione informatica ". D-Wave ha anche osservato altri modelli di calcolo quantistico, ma questo approccio è stato il più pragmatico.

Ha spiegato che in effetti ha un ricottura quantistica con mille qubit, che sono in grado di esplorare uno spazio di risposta di due diverse possibilità. Fondamentalmente questo funziona su problemi di ottimizzazione complessi e cerca di trovare l'energia più bassa o la migliore risposta per quel problema di ottimizzazione. Brownell ha notato che Google ha ora aggiornato una macchina precedentemente acquistata per il suo laboratorio di intelligenza artificiale quantistica, esaminando come ciò può aiutare nell'apprendimento automatico. Un altro cliente è Lockheed, che sta esaminando un problema chiamato verifica e convalida del software.

Brownell ha riconosciuto che nessuno di questi esempi è ancora entrato in produzione, ma ha affermato di aver eseguito applicazioni reali che stanno risolvendo problemi reali su vasta scala. In altre parole, non hanno ancora raggiunto il punto in cui la macchina D-Wave sta superando i supercomputer classici, ma ha detto "siamo molto vicini a questo". Nei prossimi mesi, la società mostrerà "che un computer quantistico può superare il meglio di ciò che l'informatica classica può fare. Siamo a quel punto cardine in questo momento".

Mark Ritter, illustre membro del personale di ricerca e senior manager nel dipartimento di scienze fisiche dell'IBM TJ Watson Research Center, ha spiegato che il suo team sta realizzando una serie di diversi progetti quantistici, ma ha concentrato il suo lavoro sul calcolo quantistico basato su gate e sulla correzione degli errori.

Uno dei teorici del suo team, Sergey Bravyi, ha inventato "un codice di parità topologica". Ha spiegato che usiamo i codici di correzione degli errori anche nei computer tradizionali, ma che le informazioni quantistiche sono molto fragili, quindi per creare un sistema basato su gate, è necessario un codice per proteggere quelle fragili informazioni quantistiche. Il suo team ha creato un sistema a 4 qubit, con qubit chiamati "transmoni" che possono conservare alcune delle informazioni quantistiche per un periodo più lungo e con il codice di correzione degli errori possono creare un calcolo quantistico basato su gate. Ha detto che questo è come un reticolo quadrato in cui i qubit sono ai vertici della carta millimetrata; un algoritmo quindi sovrappone questo codice ai qubit. L'obiettivo di IBM è quello di poter aggiungere sempre più qubit a tale algoritmo. Ha detto presto che potrebbe essere in grado di preservare indefinitamente lo stato quantico.

Ha osservato come le porte quantistiche usano l'entanglement in tutti i qubit e guardano tutti gli stati potenziali, confrontandolo con il modello di interferenza che vedi quando lasci cadere molte pietre in uno stagno e ottieni interferenze costruttive e distruttive. La migliore risposta sarà interferita in modo costruttivo, ha detto, e questa risposta sarà l'unica risposta con cui si arriva, se esiste una sola risposta al problema. In un computer quantistico basato su gate, ha affermato, è possibile utilizzare l'interferenza in questo codice per ottenere una risposta alla fine del processo e che questo dovrebbe essere accelerato esponenzialmente per determinati algoritmi.

Mentre questo potrebbe essere ancora lontano, Ritter ha detto che le persone stanno anche pensando di usare i qubit per eseguire simulazioni analogiche con elevata coerenza, come la simulazione di varie molecole. Jacobs concordò sulla simulazione quantistica e parlò di simulazioni chimiche di molecole stabili per trovare farmaci.

Ho chiesto dell'algoritmo di Shor, il che suggerisce che con un computer quantistico potresti rompere gran parte della crittografia convenzionale. Jacobs usò l'analogia di un razzo cercando di inviare astronauti sulla luna. Jacobs ha affermato che l'algoritmo che esegue il problema che stiamo cercando di risolvere, come l'algoritmo di Shor, è simile al modulo di comando della nave missilistica e che la correzione dell'errore, come quella su cui la squadra di Ritter sta lavorando, è come le fasi del razzo. Ma, ha detto, i tipi di motori a carburante o motore a razzo che abbiamo in questo momento non sono sufficienti per qualsiasi nave spaziale di dimensioni. Ha affermato che si tratta di una domanda molto delicata e che tutte le spese generali associate all'esecuzione dei calcoli quantistici e della correzione degli errori indicano che molti degli algoritmi che sembrano davvero promettenti oggi potrebbero non andare in panico. Brownell ha detto che pensava che avessimo un decennio o più prima che i computer quantistici potessero infrangere la crittografia RSA e dovremmo passare alla crittografia post-quantistica.

Brownell ha sottolineato che il modello di gate dell'informatica quantistica è molto diverso dalla ricottura quantistica e ha parlato di quanto sia utile per risolvere alcuni problemi di ottimizzazione oggi. Ha anche detto che può quasi risolvere problemi che sono al di fuori della portata dei computer classici. Su alcuni parametri di riferimento, ha osservato, Google ha scoperto che la macchina D-Wave potrebbe risolvere i problemi da qualche parte nell'ordine di 30-100.000 volte più veloce di quanto un algoritmo per uso generale oggi. Anche se questo non è stato un algoritmo utile, ha affermato che il suo team si sta concentrando su algoritmi di casi d'uso reali che possono trarre vantaggio da questa capacità poiché il suo processore scala le prestazioni ogni 12-18 mesi.

Brownell ha confrontato il calcolo quantistico oggi con Intel nel 1974, quando è uscito con il primo microprocessore. Era con Digital Equipment Corp. a quel punto, e disse che al momento "non eravamo particolarmente preoccupati per Intel, perché avevano questi piccoli microprocessori a basso costo che non erano affatto così potenti come queste grandi scatole e cose che avevamo. Ma nel giro di dieci anni, sai, gli affari erano completamente svaniti e la Digital ha cessato di funzionare. " Ha detto che, sebbene non pensasse che l'informatica quantistica avrebbe minacciato l'intero mondo dell'informatica classica, si aspetta di vedere questi miglioramenti incrementali nei processori ogni 18 mesi, al punto che sarà una capacità che sarà necessaria per i responsabili IT e sviluppatori da usare.

In particolare, ha affermato, D-Wave ha sviluppato congiuntamente algoritmi di apprendimento probabilistico, alcuni dei quali nello spazio di apprendimento profondo, che possono fare un lavoro migliore nel riconoscere le cose e nell'addestramento di quanto si possa fare senza il calcolo quantistico. Alla fine, vede questo come una risorsa nel cloud che verrà utilizzata molto in aggiunta ai computer classici.

Ritter ha affermato che è difficile confrontare davvero nessuno dei metodi quantistici con le macchine classiche che eseguono calcoli per scopi generali, perché le persone stanno facendo acceleratori e usando GPU e FPGA progettati per compiti specifici. Ha detto che se in realtà hai progettato un ASIC specifico per risolvere il tuo problema, il calcolo quantistico reale con un'accelerazione reale dovrebbe battere tutti, perché ogni qubit che aggiungi raddoppia lo spazio di configurazione. In altre parole, mettere insieme un migliaio di qubit dovrebbe aumentare lo spazio di 2x1000 ^{th di} potenza, che ha notato essere superiore al numero di atomi nell'universo. E, ha detto, con un computer basato su gate, il problema è che le porte funzionano più lentamente del tuo cellulare, quindi hai più operazioni in corso contemporaneamente, ma ogni operazione è più lenta rispetto a un computer classico. "Ecco perché devi creare una macchina più grande prima di vedere questo crossover", ha detto.

Jacobs ha sottolineato quanto potrebbe essere molto più efficiente il calcolo quantistico. "Se guardi l'energia che serve usando i migliori super computer super verdi al mondo, se volessi fare una simulazione a 65 qubit, ciò richiederebbe circa una centrale nucleare", ha detto, "e poi se volevi fare 66 richiederebbe due centrali nucleari ".

Brownell ha affermato che con oltre 1.000 qubit, l'attuale macchina D-Wave potrebbe teoricamente gestire modelli fino a 2 a 1000, equivalenti a 10 a 300. (Per fare un confronto, ha detto, gli scienziati stimano che ci siano solo circa dai 10 agli 80 atomi nell'universo.) Quindi dice che i limiti delle prestazioni sul computer non sono dovuti a limitazioni nella ricottura quantistica, ma piuttosto a limitazioni nell'I / O funzioni, un problema di ingegneria che viene affrontato in ogni nuova generazione. Su alcuni degli algoritmi di riferimento, la macchina da 1152 qubit dell'azienda dovrebbe essere 600 volte più potente del meglio di ciò che i computer classici possono fare, afferma.

L'architettura di D-Wave, che utilizza una matrice di qubit con accoppiamenti che in qualche modo ricorda una rete neurale, ha avuto un'applicazione iniziale per l'apprendimento profondo delle reti neurali nell'apprendimento automatico.

Ma ha anche parlato di altre applicazioni, come l'esecuzione dell'equivalente delle simulazioni Monte Carlo, che faceva presso Goldman Sachs (dove era CIO) per i calcoli del valore-rischio. Ricordava che aveva preso circa un milione di core e che doveva correre dall'oggi al domani. Teoricamente, un computer quantistico potrebbe fare cose simili con molta meno energia. Ha detto che la macchina D-Wave usa pochissimo, ma deve funzionare all'interno di un grande frigorifero che mantiene temperature molto basse (circa 8 milikelvin), ma che la macchina stessa impiega solo circa 15-20 kW per funzionare, che è piuttosto piccola per un data center.

Ritter menzionò un'idea simile per il modello basato su gate e discusse il campionamento di metropoli quantistiche che secondo lui è l'equivalente di Monte Carlo quantico, ma con statistiche diverse a causa delle proprietà di entanglement.

Il team di Ritter sta lavorando alla simulazione analogica quantistica, dove può calcolare e mappare un progetto molecolare in una connessione di qubit e fargli risolvere le modalità ideali e tutti i comportamenti di una molecola, che ha detto che è molto difficile una volta che si ottengono circa 50 elettroni.

Jacobs ha discusso della crittografia quantistica, che implica una chiave generata in un modo che può dimostrare che nessuno stava ascoltando sulla trasmissione. Ritter ha affermato che Charlie Bennett di IBM ha teorizzato una tecnica per "teletrasportare" il qubit sul collegamento in un altro qubit della macchina, ma ha detto che pensa che tali tecniche siano trascorse da più di qualche anno.

Jacobs ha sottolineato le differenze tra il quantum gate computing e la ricottura quantistica, in particolare nelle aree di correzione degli errori, e ha osservato che esiste un altro metodo chiamato anche quantum computing topologico su cui Microsoft sta lavorando.

Una sfida interessante è scrivere applicazioni per tali macchine, che Ritter ha descritto come inviare toni con una frequenza specifica che fanno risuonare e interagire tra loro i diversi qubit nel tempo, causando il calcolo "quasi come una partitura musicale". Ha osservato che esistono linguaggi di livello superiore, ma che molto lavoro richiede ancora un teorico. Jacobs ha osservato che esistono diversi livelli di linguaggi quantistici open source come QASM e Quipper, entrambi focalizzati in gran parte sul modello di gate quantistico. Brownell ha notato che non vi è stata molta attività sulla ricottura quantistica, perché era più controversa fino a poco tempo fa, e ha detto che D-Wave ha dovuto fare molto di quel lavoro stesso e sta lavorando per spostare le lingue a livelli più alti. Entro cinque anni spera che sarà facile da usare come una GPU o un altro tipo di risorsa classica.