คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร? แนวทางแก้ไขปัญหาที่เป็นไปไม่ได้

อุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ไม่มีการโฆษณาเกินจริงแม้ว่าฉันจะต้องยอมรับว่าบางครั้งเทคโนโลยีก็ทำตามสัญญาได้ การเรียนรู้ของเครื่องเป็นตัวอย่างที่ดี แมชชีนเลิร์นนิงได้รับความนิยมตั้งแต่ทศวรรษ 1950 และในที่สุดก็มีประโยชน์โดยทั่วไปในทศวรรษที่ผ่านมา

คอมพิวเตอร์ควอนตัมได้รับการเสนอในช่วงทศวรรษที่ 1980 แต่ก็ยังไม่สามารถใช้งานได้จริงแม้ว่าจะไม่ได้ลดทอนโฆษณา มีคอมพิวเตอร์ควอนตัมทดลองในห้องปฏิบัติการวิจัยจำนวนน้อยและคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงพาณิชย์สองสามเครื่องและเครื่องจำลองควอนตัมที่ผลิตโดย IBM และอื่น ๆ แต่แม้แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงพาณิชย์ก็ยังมีจำนวน qubits ต่ำ (ซึ่งฉันจะอธิบายในหัวข้อถัดไป ) อัตราการสลายตัวสูงและเสียงรบกวนจำนวนมาก

อธิบายการคำนวณควอนตัม

คำอธิบายที่ชัดเจนที่สุดเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ฉันพบอยู่ในวิดีโอนี้โดย Dr. Talia Gershon จาก IBM ในวิดีโอ Gershon อธิบายเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมให้กับเด็กวัยรุ่นนักศึกษาและนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจากนั้นกล่าวถึงตำนานและความท้าทายของคอมพิวเตอร์ควอนตัมกับศาสตราจารย์ Steve Girvin จากมหาวิทยาลัยเยล

สำหรับเด็กแล้วเธอทำการเปรียบเทียบระหว่างบิตและเพนนี บิตคลาสสิกเป็นไบนารีเช่นเพนนีนอนอยู่บนโต๊ะแสดงหัวหรือก้อย ควอนตัมบิต ( qubits ) เป็นเหมือนเพนนีที่หมุนอยู่บนโต๊ะซึ่งในที่สุดอาจยุบลงในสถานะที่เป็นหัวหรือก้อย

สำหรับวัยรุ่นเธอใช้การเปรียบเทียบแบบเดียวกัน แต่เพิ่มคำซ้อนทับเพื่ออธิบายสถานะของเงินหมุน การซ้อนทับของสถานะเป็นสมบัติทางควอนตัมซึ่งพบเห็นได้ทั่วไปในอนุภาคมูลฐานและในเมฆอิเล็กตรอนของอะตอม ในวิทยาศาสตร์ที่เป็นที่นิยมการเปรียบเทียบตามปกติคือการทดลองทางความคิดของSchrödinger's Cat ซึ่งมีอยู่ในกล่องในสถานะควอนตัมที่ซ้อนทับทั้งที่มีชีวิตและที่ตายแล้วจนกว่ากล่องจะเปิดออกและสังเกตได้ว่าเป็นแบบใดแบบหนึ่ง

เกอร์ชอนพูดคุยเรื่องควอนตัมพัวพันกับวัยรุ่น ซึ่งหมายความว่าสถานะของวัตถุควอนตัมที่พันกันสองตัวหรือมากกว่านั้นเชื่อมโยงกันแม้ว่าจะแยกออกจากกันก็ตาม

อย่างไรก็ตามไอน์สไตน์เกลียดความคิดนี้ซึ่งเขามองว่า“ การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล” แต่ปรากฏการณ์ดังกล่าวเป็นของจริงและสามารถสังเกตได้จากการทดลองและเมื่อไม่นานมานี้ได้มีการถ่ายภาพด้วย ยิ่งไปกว่านั้นแสงที่พัวพันกับข้อมูลควอนตัมได้ถูกส่งผ่านใยแก้วนำแสง 50 กิโลเมตร

สุดท้าย Gershon แสดงต้นแบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ IBM ในวัยรุ่นพร้อมตู้เย็นแบบเจือจางและกล่าวถึงการประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เป็นไปได้เช่นการสร้างแบบจำลองพันธะเคมี

กับนักศึกษาวิทยาลัย Gershon ได้ลงรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมชิปควอนตัมและตู้เย็นแบบเจือจางที่ทำให้อุณหภูมิของชิปลดลงถึง 10 mK (มิลลิเคลวิน) เกอร์ชอนยังอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับควอนตัมพัวพันพร้อมกับการซ้อนทับควอนตัมและการรบกวน การรบกวนควอนตัมที่สร้างสรรค์ถูกใช้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อขยายสัญญาณที่นำไปสู่คำตอบที่ถูกต้องและการรบกวนทางควอนตัมแบบทำลายล้างจะใช้เพื่อยกเลิกสัญญาณที่นำไปสู่คำตอบที่ผิด IBM ผลิต qubits จากวัสดุตัวนำยิ่งยวด

เกอร์ชอนกล่าวถึงความเป็นไปได้ในการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อเร่งส่วนสำคัญของการฝึกโมเดลการเรียนรู้เชิงลึก นอกจากนี้เธอยังอธิบายถึงวิธีที่ IBM ใช้คลื่นไมโครเวฟที่ปรับเทียบเพื่อจัดการและวัดสถานะควอนตัม (qubits) ของชิปคอมพิวเตอร์

อัลกอริทึมหลักสำหรับการคำนวณควอนตัม (อธิบายด้านล่าง) ซึ่งได้รับการพัฒนาก่อนที่จะมีการสาธิต qubit แม้แต่ตัวเดียวสันนิษฐานว่ามี qubits ที่สมบูรณ์แบบทนต่อความผิดพลาดและแก้ไขข้อผิดพลาดหลายล้านรายการ ขณะนี้เรามีคอมพิวเตอร์ที่มี 50 qubits และยังไม่สมบูรณ์แบบ อัลกอริทึมใหม่ที่อยู่ระหว่างการพัฒนามีจุดมุ่งหมายเพื่อทำงานร่วมกับ qubits ที่มีเสียงดังจำนวน จำกัด ที่เรามีอยู่ในขณะนี้

Steve Girvin นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจาก Yale บอกกับ Gershon เกี่ยวกับงานของเขาเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนต่อความผิดพลาดซึ่งยังไม่มีอยู่จริง พวกเขาสองคนพูดคุยกันถึงความไม่พอใจของควอนตัม decoherence -“ คุณสามารถเก็บควอนตัมข้อมูลของคุณไว้ได้นานขนาดนั้น” และความไวที่สำคัญของคอมพิวเตอร์ควอนตัมต่อเสียงรบกวนจากการสังเกตง่ายๆ พวกเขาแทงไปที่ตำนานที่ว่าในห้าปีคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะแก้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศมะเร็งและ Girvin:“ ขณะนี้เราอยู่ในขั้นตอนของหลอดสูญญากาศหรือทรานซิสเตอร์ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเรากำลังดิ้นรนที่จะคิดค้นวงจรรวมควอนตัม”

อัลกอริทึมควอนตัม

ดังที่เกอร์ชอนกล่าวไว้ในวิดีโอของเธออัลกอริธึมควอนตัมรุ่นเก่าถือว่า qubits ที่สมบูรณ์แบบทนต่อความผิดพลาดและแก้ไขข้อผิดพลาดหลายล้านรายการซึ่งยังไม่มีให้ใช้งาน อย่างไรก็ตามควรปรึกษาพวกเขาสองคนเพื่อทำความเข้าใจกับคำสัญญาของพวกเขาและสิ่งที่สามารถใช้มาตรการตอบโต้เพื่อป้องกันการใช้ในการโจมตีด้วยการเข้ารหัส

อัลกอริทึมของ Grover

อัลกอริทึมของ Grover ซึ่งคิดค้นโดย Lov Grover ในปี 1996 พบการผกผันของฟังก์ชันในขั้นตอน O (√N) นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อค้นหารายการที่ไม่เรียงลำดับ มีการเร่งความเร็วกำลังสองมากกว่าวิธีการแบบคลาสสิกซึ่งต้องใช้ขั้นตอน O (N)

การประยุกต์ใช้อัลกอริทึมอื่น ๆ ของ Grover ได้แก่ การประมาณค่าเฉลี่ยและค่ามัธยฐานของชุดตัวเลขการแก้ปัญหาการชนกันและฟังก์ชันแฮชการเข้ารหัสแบบวิศวกรรมย้อนกลับ เนื่องจากแอปพลิเคชันการเข้ารหัสบางครั้งนักวิจัยแนะนำให้เพิ่มความยาวคีย์สมมาตรเป็นสองเท่าเพื่อป้องกันการโจมตีควอนตัมในอนาคต

อัลกอริทึมของชอร์

อัลกอริธึมของ Shor คิดค้นโดย Peter Shor ในปี 1994 พบปัจจัยสำคัญของจำนวนเต็ม มันทำงานในเวลาพหุนามในบันทึก (N) ทำให้เร็วกว่าตะแกรงฟิลด์ตัวเลขทั่วไปแบบคลาสสิก การเร่งความเร็วเลขชี้กำลังนี้สัญญาว่าจะทำลายรูปแบบการเข้ารหัสคีย์สาธารณะเช่น RSA หากมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มี qubits "เพียงพอ" (จำนวนที่แน่นอนจะขึ้นอยู่กับขนาดของจำนวนเต็มที่แยกตัวประกอบ) ในกรณีที่ไม่มีเสียงควอนตัมและควอนตัมอื่น ๆ ปรากฏการณ์ -decoherence

หากคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีขนาดใหญ่และเชื่อถือได้มากพอที่จะรันอัลกอริทึมของ Shor เทียบกับจำนวนเต็มขนาดใหญ่ที่ใช้ในการเข้ารหัส RSA ได้สำเร็จเราก็จำเป็นต้องมีระบบเข้ารหัสแบบ "หลังควอนตัม" ใหม่ที่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความยากของการแยกตัวประกอบเฉพาะ

การจำลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ Atos

Atos สร้างเครื่องจำลองควอนตัมเครื่องจำลองการเรียนรู้ควอนตัมซึ่งทำหน้าที่ราวกับว่ามันมี 30 ถึง 40 qubits ชุดฮาร์ดแวร์ / ซอฟต์แวร์ประกอบด้วยภาษาการเขียนโปรแกรมแอสเซมบลีควอนตัมและภาษาไฮบริดระดับสูงที่ใช้ Python อุปกรณ์นี้ใช้งานอยู่ในห้องปฏิบัติการระดับชาติและมหาวิทยาลัยด้านเทคนิคเพียงไม่กี่แห่ง

การหลอมควอนตัมที่ D-Wave

D-Wave สร้างระบบหลอมควอนตัมเช่น DW-2000Q ซึ่งแตกต่างกันเล็กน้อยและมีประโยชน์น้อยกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานทั่วไป กระบวนการหลอมจะทำการปรับให้เหมาะสมในลักษณะที่คล้ายกับอัลกอริทึมการไล่ระดับสีสุ่ม (SGD) ที่นิยมใช้สำหรับการฝึกอบรมเครือข่ายประสาทเทียมในการเรียนรู้เชิงลึกยกเว้นว่าจะช่วยให้มีจุดเริ่มต้นพร้อมกันหลายจุดและการขุดอุโมงค์ควอนตัมผ่านเนินเขาในพื้นที่ คอมพิวเตอร์ D-Wave ไม่สามารถรันโปรแกรมควอนตัมเช่นอัลกอริทึมของ Shor

D-Wave อ้างว่าระบบ DW-2000Q มีมากถึง 2,048 qubits และ 6,016 couplers ในการเข้าถึงระดับนี้จะใช้ทางแยกของ Josephson 128,000 จุดบนชิปประมวลผลควอนตัมตัวนำยิ่งยวดซึ่งทำให้เย็นลงเหลือน้อยกว่า 15 mK โดยตู้เย็นเจือจางฮีเลียม แพ็คเกจ D-Wave ประกอบด้วยชุดเครื่องมือ Python แบบโอเพนซอร์สที่โฮสต์บน GitHub DW-2000Q ถูกใช้งานในห้องปฏิบัติการระดับประเทศผู้รับเหมาด้านการป้องกันและองค์กรระดับโลกเพียงไม่กี่แห่ง

คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ Google AI

Google AI กำลังทำการวิจัยเกี่ยวกับ qubits ตัวนำยิ่งยวดด้วยสถาปัตยกรรมที่ปรับขนาดได้บนชิปโดยกำหนดเป้าหมายข้อผิดพลาดเกตสองคิวบิต <0.5% บนอัลกอริธึมควอนตัมสำหรับระบบการสร้างแบบจำลองของอิเล็กตรอนที่มีปฏิสัมพันธ์กับแอพพลิเคชั่นทางเคมีและวัสดุศาสตร์บนตัวแก้ควอนตัมคลาสสิกแบบไฮบริด บนกรอบการใช้เครือข่ายประสาทควอนตัมบนโปรเซสเซอร์ระยะใกล้และบนสุดยอดควอนตัม

ในปี 2018 Google ได้ประกาศการสร้างชิปตัวนำยิ่งยวด 72 qubit ที่เรียกว่า Bristlecone แต่ละ qubit สามารถเชื่อมต่อกับเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดสี่ตัวในอาร์เรย์ 2D ตามที่ Hartmut Neven ผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการ Quantum Artificial Intelligence ของ Google กล่าวว่าพลังการประมวลผลควอนตัมเพิ่มขึ้นตามเส้นโค้งเลขชี้กำลังสองเท่าตามจำนวนซีพียูทั่วไปที่ห้องปฏิบัติการต้องการเพื่อจำลองผลลัพธ์จากคอมพิวเตอร์ควอนตัมของพวกเขา

ในช่วงปลายปี 2019 Google ได้ประกาศว่าประสบความสำเร็จสูงสุดทางควอนตัมซึ่งเป็นเงื่อนไขที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาที่ว่ายากในคอมพิวเตอร์คลาสสิกโดยใช้โปรเซสเซอร์ 54-qubit ใหม่ชื่อ Sycamore ทีม Google AI Quantum เผยแพร่ผลการทดลองสูงสุดของควอนตัมนี้ในบทความNatureเรื่อง“ Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor” 

คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ IBM

ในวิดีโอที่ฉันพูดถึงก่อนหน้านี้ดร. เกอร์ชอนกล่าวว่า“ มีคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามเครื่องนั่งอยู่ในห้องทดลองนี้ที่ทุกคนสามารถใช้ได้” เธออ้างถึงระบบ IBM Q ซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้ transmon qubits โดยพื้นฐานแล้ว niobium Josephson junctions ได้รับการกำหนดค่าให้ทำงานเหมือนอะตอมเทียมควบคุมโดยคลื่นไมโครเวฟที่ยิงตัวสะท้อนไมโครเวฟบนชิปควอนตัมซึ่งจะทำให้ที่อยู่และคู่กับ qubits บน โปรเซสเซอร์

IBM เสนอสามวิธีในการเข้าถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมและเครื่องจำลองควอนตัม สำหรับ“ ทุกคน” จะมี Qiskit SDK และเวอร์ชันคลาวด์ที่โฮสต์เรียกว่า IBM Q Experience (ดูภาพหน้าจอด้านล่าง) ซึ่งมีอินเทอร์เฟซแบบกราฟิกสำหรับการออกแบบและทดสอบวงจร ในระดับถัดไปในฐานะส่วนหนึ่งของ IBM Q Network องค์กร (มหาวิทยาลัยและ บริษัท ขนาดใหญ่) จะได้รับสิทธิ์ในการเข้าถึงระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทันสมัยที่สุดและเครื่องมือในการพัฒนา

Qiskit รองรับ Python 3.5 หรือใหม่กว่าและทำงานบน Ubuntu, macOS และ Windows ในการส่งโปรแกรม Qiskit ไปยังคอมพิวเตอร์ควอนตัมหรือเครื่องจำลองควอนตัมของ IBM คุณต้องมีหนังสือรับรอง IBM Q Experience Qiskit ประกอบด้วยอัลกอริทึมและไลบรารีแอปพลิเคชัน Aqua ซึ่งจัดเตรียมอัลกอริทึมเช่น Grover's Search และแอปพลิเคชันสำหรับเคมี AI การเพิ่มประสิทธิภาพและการเงิน

ไอบีเอ็มเปิดตัวระบบ IBM Q รุ่นใหม่ที่มี 53 qubits ในช่วงปลายปี 2019 โดยเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ขยายตัวใน IBM Quantum Computation Center แห่งใหม่ในรัฐนิวยอร์ก คอมพิวเตอร์เหล่านี้มีให้บริการในระบบคลาวด์สำหรับผู้ใช้ที่ลงทะเบียนของไอบีเอ็มกว่า 150,000 รายและลูกค้าเชิงพาณิชย์เกือบ 80 รายสถาบันการศึกษาและห้องปฏิบัติการวิจัย

คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ Intel

การวิจัยที่ Intel Labs ได้นำไปสู่การพัฒนา Tangle Lake ซึ่งเป็นโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่มีตัวนำยิ่งยวดซึ่งรวม 49 qubits ไว้ในแพ็คเกจที่ผลิตที่โรงงานผลิตขนาด 300 มม. ของ Intel ใน Hillsboro รัฐโอเรกอน อุปกรณ์นี้เป็นตัวแทนของโปรเซสเซอร์ควอนตัมรุ่นที่สามที่ผลิตโดย Intel โดยเพิ่มขนาดขึ้นจาก 17 qubits ในรุ่นก่อน Intel ได้ส่งโปรเซสเซอร์ Tangle Lake ไปยัง QuTech ในเนเธอร์แลนด์เพื่อทดสอบและทำงานเกี่ยวกับการออกแบบระดับระบบ

นอกจากนี้ Intel ยังทำการวิจัยเกี่ยวกับการหมุน qubits ซึ่งทำงานบนพื้นฐานของการหมุนของอิเล็กตรอนตัวเดียวในซิลิกอนซึ่งควบคุมโดยคลื่นไมโครเวฟ เมื่อเปรียบเทียบกับ qubits ของตัวนำยิ่งยวดการหมุน qubits นั้นมีลักษณะใกล้เคียงกับส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ซึ่งทำงานในซิลิกอนซึ่งอาจใช้ประโยชน์จากเทคนิคการประดิษฐ์ที่มีอยู่ คาดว่า qubits สปินจะยังคงเชื่อมโยงกันได้นานกว่า qubits ของตัวนำยิ่งยวดและใช้พื้นที่น้อยกว่ามาก

คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ Microsoft

Microsoft ได้ทำการวิจัยคอมพิวเตอร์ควอนตัมมานานกว่า 20 ปี ในการประกาศต่อสาธารณะเกี่ยวกับความพยายามในการคำนวณควอนตัมของ Microsoft ในเดือนตุลาคม 2017 ดร. Krysta Svore ได้กล่าวถึงนวัตกรรมหลายประการรวมถึงการใช้ทอพอโลยีคิวบิทภาษาโปรแกรม Q # และ Quantum Development Kit (QDK) ในที่สุดคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Microsoft จะพร้อมใช้งานเป็นโปรเซสเซอร์ร่วมใน Azure cloud

ทอพอโลยี qubits อยู่ในรูปของตัวนำยิ่งยวดสายนาโน ในโครงร่างนี้สามารถแยกชิ้นส่วนของอิเล็กตรอนได้สร้างระดับการป้องกันที่เพิ่มขึ้นสำหรับข้อมูลที่จัดเก็บใน qubit ทางกายภาพ นี่คือรูปแบบของการป้องกันโทโพโลยีที่เรียกว่าอนุภาคเสมือน Majorana Majorana quasi-particle ซึ่งเป็นเฟอร์มิออนแปลก ๆ ที่ทำหน้าที่ต่อต้านอนุภาคของตัวเองได้รับการคาดการณ์ในปี 1937 และถูกตรวจพบเป็นครั้งแรกในห้องปฏิบัติการ Microsoft Quantum ในเนเธอร์แลนด์ในปี 2012 โดย qubit topological ให้รากฐานที่ดีกว่า Josephson เนื่องจากมีอัตราข้อผิดพลาดที่ต่ำกว่าลดอัตราส่วนของ qubits ทางกายภาพต่อ qubits เชิงตรรกะและแก้ไขข้อผิดพลาด ด้วยอัตราส่วนที่ลดลงนี้ qubits เชิงตรรกะมากขึ้นจึงสามารถใส่เข้าไปในตู้เย็นแบบเจือจางได้ทำให้สามารถปรับขนาดได้

ไมโครซอฟท์ได้ประเมินไว้อย่างหลากหลายว่า qubit โทโพโลยี Majorana หนึ่งตัวมีค่าระหว่าง 10 ถึง 1,000 โจเซฟสันจังชั่น qubits ในแง่ของ qubits ตรรกะที่แก้ไขข้อผิดพลาด นอกจากนี้ Ettore Majorana นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวอิตาลีผู้ทำนายอนุภาคเสมือนโดยอาศัยสมการคลื่นได้หายตัวไปในสถานการณ์ที่ไม่ทราบสาเหตุระหว่างการเดินทางโดยเรือจากปาแลร์โมไปยังเนเปิลส์เมื่อวันที่ 25 มีนาคม พ.ศ. 2481