מהו מחשוב קוונטי? פתרונות לבעיות בלתי אפשריות

לא חסר הייפ בתעשיית המחשבים, אם כי אפילו אני חייב להודות שלפעמים הטכנולוגיה אכן עומדת בהבטחות. למידת מכונה היא דוגמה טובה. למידת מכונות זכתה להיפוך מאז שנות החמישים, ולבסוף הפכה להיות שימושית בדרך כלל בעשור האחרון.

מחשוב קוונטי הוצע בשנות השמונים, אך עדיין אינו מעשי, אם כי זה לא הרטיב את ההייפ. ישנם מחשבים קוונטיים ניסיוניים במספר קטן של מעבדות מחקר, וכמה מחשבים קוונטיים מסחריים וסימולטורים קוונטיים המיוצרים על ידי יבמ ואחרים, אך אפילו במחשבי הקוונטים המסחריים יש עדיין מספרים נמוכים של קווביטים (עליהם אסביר בסעיף הבא. ), שיעורי ריקבון גבוהים וכמויות רעש משמעותיות.

הסביר מחשוב קוונטי

ההסבר הברור ביותר למחשוב קוונטי שמצאתי הוא בסרטון זה של ד"ר טליה גרשון מ- IBM. בסרטון מסביר גרשון מחשוב קוונטי לילד, נער, סטודנט וסטודנט לתואר שני, ואז דן במיתוסים ובאתגרים של מחשוב קוונטי עם פרופסור סטיב גירווין מאוניברסיטת ייל.

לילד היא עושה את ההקבלה בין סיביות ופרוטות. פיסות קלאסיות הן בינאריות, כמו אגורות ששוכבות על השולחן ומראות ראשים או זנבות. ביטים קוונטיים ( קווביטים ) הם כמו אגורות שמסתובבות על השולחן, שעלולות להתמוטט בסופו של דבר למצבים שהם ראשים או זנבות.

למתבגרת, היא משתמשת באותה אנלוגיה, אך מוסיפה את המילה סופרפוזיציה לתיאור מצבים של אגורה מסתובבת. סופרפוזיציה של מצבים היא תכונה קוונטית, שנראית בדרך כלל בחלקיקים אלמנטריים ובענני האלקטרונים של האטומים. במדע הפופולרי, האנלוגיה הרגילה היא הניסוי המחשבתי של החתול של שרדינגר, שקיים בתיבה שלו במצב קוונטי על גבי של חיים ומתים, עד שהקופסה פתוחה ונצפה כזו או אחרת.

גרשון ממשיך לדון בהסתבכות קוונטית עם המתבגר. משמעות הדבר היא שמצבים של שני אובייקטים קוונטיים מסובכים או יותר קשורים, גם אם הם מופרדים.

אגב, איינשטיין שנא את הרעיון הזה, אותו הכחיש כ"פעולה מפחידה מרחוק ", אך התופעה אמיתית ונצפית בניסוי, ולאחרונה אף צולמה. אפילו יותר טוב, אור מסובך במידע קוונטי נשלח על פני סיב אופטי של 50 קילומטר.

לבסוף, גרשון מציג את טיפוס המחשב הקוונטי של המתבגרת יבמ עם מקרר הדילול שלה, ודן ביישומים אפשריים של מחשבים קוונטיים, כמו דוגמת קשרים כימיים.

עם סטודנט המכללה, גרשון מפרט יותר על המחשב הקוונטי, השבב הקוונטי ומקרר הדילול שמוריד את הטמפרטורה של השבב ל -10 mK (milliKelvin). גרשון גם מסביר את ההסתבכות הקוונטית ביתר פירוט, יחד עם סופרפוזיציה קוונטית והפרעות. הפרעות קוונטיות קונסטרוקטיביות משמשות במחשבים קוונטיים להגברת אותות המובילים לתשובה הנכונה, והפרעות קוונטיות הרסניות משמשות לביטול אותות המובילים לתשובה שגויה. יבמ מייצרת קווביטים מחומרים מוליכים-על.

עם התלמיד בכיתה דן גרשון באפשרות להשתמש במחשבים קוונטיים כדי לזרז חלקים מרכזיים בהכשרת מודלים של למידה עמוקה. היא גם מסבירה כיצד יבמ משתמשת בפולסי מיקרוגל מכוילים כדי לתפעל ולמדוד את המצב הקוונטי (הקוביטים) של שבב המחשוב.

האלגוריתמים העיקריים למחשוב קוונטי (שנדון בהמשך), שפותחו לפני שהוכח אפילו קיוביט אחד, הניחו את הזמינות של מיליוני קווביטים מושלמים, סובלני לתקלות, שתוקנו שגיאות. כרגע יש לנו מחשבים עם 50 קוביות, והם לא מושלמים. אלגוריתמים חדשים בפיתוח נועדו לעבוד עם המספר המוגבל של קווביטים רועשים שיש לנו כעת.

סטיב גירווין, פיסיקאי תיאורטי מייל, מספר לגרשון על עבודתו במחשבים קוונטיים סובלניים לתקלות, שעדיין לא קיימים. שניהם דנים בתסכול של דקוהרנטיות קוונטית - "אתה יכול לשמור את המידע הקוונטי שלך כל כך הרבה זמן" - ואת הרגישות המהותית של מחשבים קוונטיים לרעש מהפעולה הפשוטה של ​​התבוננות. הם דקרו את המיתוסים שבעוד חמש שנים מחשבים קוונטיים יפתרו שינויי אקלים, סרטן ו. גירווין: "אנו נמצאים בשלב זה של צינור הוואקום או הטרנזיסטור של המחשוב הקוונטי, ואנו נאבקים להמציא מעגלים משולבים קוונטיים."

אלגוריתמים קוונטיים

כפי שציין גרשון בסרטון שלה, האלגוריתמים הקוונטיים הוותיקים מניחים מיליוני קווביטים מושלמים, סובלני לתקלות, המתוקנות שגיאות, שעדיין לא זמינים. עם זאת, כדאי לדון בשניים מהם כדי להבין את הבטחתם ובאילו אמצעים נגדיים ניתן להשתמש כדי להגן מפני השימוש בהם בהתקפות הצפנה.

האלגוריתם של גרובר

האלגוריתם של גרובר, שפותח על ידי לוב גרובר ב -1996, מוצא את ההיפך של פונקציה בשלבי O (√N); ניתן להשתמש בו גם לחיפוש רשימה לא מסודרת. הוא מספק מהירות ריבועית על פני שיטות קלאסיות, הזקוקות לצעדים O (N).

יישומים אחרים באלגוריתם של גרובר כוללים הערכת ממוצע וחציון של קבוצת מספרים, פתרון בעיית ההתנגשות ופונקציות חשיש קריפטוגרפיות בהנדסה לאחור. בגלל היישום הקריפטוגרפי, החוקרים מציעים לפעמים להכפיל את אורכי המפתח הסימטריים כדי להגן מפני התקפות קוונטיות עתידיות.

האלגוריתם של שור

האלגוריתם של שור, שהגה פיטר שור בשנת 1994, מוצא את הגורמים העיקריים של מספר שלם. זה פועל בזמן פולינום ביומן (N), מה שהופך אותו למהיר מעריכית מאשר מסננת שדה המספרים הכללית הקלאסית. האצה אקספוננציאלית זו מבטיחה לשבור תוכניות קריפטוגרפיה של מפתח ציבורי, כגון RSA, אם היו מחשבים קוונטיים עם קוביות "מספיק" (המספר המדויק יהיה תלוי בגודל המספר השלם שנחשף) בהעדר רעש קוונטי וקוונטים אחרים -תופעות של קוהרנטיות.

אם מחשבים קוונטיים יהפכו אי פעם לגדולים ואמינים מספיק כדי להפעיל את האלגוריתם של שור בהצלחה מול סוג המספרים השלמים הגדולים המשמשים בהצפנת RSA, נצטרך מערכות קריפטות חדשות "לאחר הקוונטים" שאינן תלויות בקושי של פקטוריזציה ראשונית.

הדמיית מחשוב קוונטי ב- Atos

אטוס מייצרת סימולטור קוונטי, מכונת הלמידה הקוונטית, שמתנהגת כאילו יש לה 30 עד 40 קוביטים. חבילת החומרה / תוכנה כוללת שפת תכנות של הרכבה קוונטית ושפה היברידית ברמה גבוהה מבוססת פיתון. המכשיר נמצא בשימוש בכמה מעבדות לאומיות ובאוניברסיטאות טכניות.

חישול קוונטי ב- D-Wave

D-Wave מייצרת מערכות חישול קוונטיות כגון DW-2000Q, שהן קצת שונות ופחות שימושיות ממחשבי קוונטים לשימושים כלליים. תהליך החישול מבצע אופטימיזציה באופן הדומה לאלגוריתם הירידה בשיפוע הסטוכסטי (SGD) הפופולרי להכשרת רשתות עצביות למידה עמוקה, אלא שהוא מאפשר נקודות התחלה רבות בו זמנית ומנהור קוונטי דרך גבעות מקומיות. מחשבי D-Wave אינם יכולים להריץ תוכניות קוונטיות כגון האלגוריתם של שור.

ב- D-Wave טוענים כי למערכת DW-2000Q יש עד 2,048 קוביות ו -6,016 מצמדים. כדי להגיע לקנה מידה זה, הוא משתמש ב 128,000 צומת ג'וזפסון על שבב עיבוד קוונטי מוליך-על, מקורר עד פחות מ- 15 mK על ידי מקרר לדילול הליום. חבילת D-Wave כוללת חבילה של כלי פיתון קוד פתוח המתארחים ב- GitHub. ה- DW-2000Q נמצא בשימוש בכמה מעבדות לאומיות, קבלני ביטחון ועסקים גלובליים.

מחשוב קוונטי ב- Google AI

Google AI עוסק במחקרים על קווביטים מוליכים-על עם ארכיטקטורה מדרגית מבוססת שבב הממוקדת לשגיאת שער של שתי-קוביות <0.5%, על אלגוריתמים קוונטיים למערכות דוגמנות של אלקטרונים אינטראקטיביים עם יישומים בתחום הכימיה והחומרים, על פתרונות קוונטיים קלאסיים היברידיים לאופטימיזציה מקורבת , על מסגרת ליישום רשת עצבית קוונטית על מעבדים לטווח קרוב, ועל עליונות קוונטית.

בשנת 2018 הכריזה גוגל על ​​יצירת שבב מוליך-על של 72 קילו-ביט בשם Bristlecone. כל קוביט יכול להתחבר לארבעה שכנים קרובים במערך הדו-ממדי. לדברי הרטמוט נבן, מנהל המעבדה לבינה מלאכותית קוונטית של גוגל, כוח המחשוב הקוונטי גדל בעקומה אקספוננציאלית כפולה, בהתבסס על מספר המעבדים הקונבנציונליים שהמעבדה זקוקה להם כדי לשכפל תוצאות ממחשבי הקוונטים שלהם.

בסוף שנת 2019, גוגל הודיעה כי השיגה עליונות קוונטית, התנאי שבו מחשבים קוונטיים יכולים לפתור בעיות שאינן ניתנות לביצוע במחשבים קלאסיים, באמצעות מעבד חדש של 54 קוביות בשם שקמה. צוות הקוואנטים AI של גוגל פרסם את תוצאות ניסוי עליון קוונטי זה במאמר Nature , "עליונות קוונטית באמצעות מעבד מוליך-על מתוכנת." 

מחשוב קוונטי ב- IBM

בסרטון שדנתי בו קודם מזכיר ד"ר גרשון כי "במעבדה זו יושבים שלושה מחשבים קוונטיים שכל אחד יכול להשתמש בהם." היא מתייחסת למערכות Q של יבמ, אשר בנויים סביב קווביטים טרנסמונים, למעשה צומת ניוביום ג'וזפסון שהוגדרו להתנהג כמו אטומים מלאכותיים, הנשלטים על ידי פעימות מיקרוגל שמפעילות תהודה של מיקרוגל על ​​שבב הקוונטים, אשר בתורן מטפלות ומתאימות לקוביות על מעבד.

יבמ מציעה שלוש דרכים לגשת למחשבי הקוונטים ולסימולטורים הקוונטיים שלה. עבור "כל אחד" יש את ה- Qiskit SDK, וגרסת ענן מתארחת הנקראת IBM Q Experience (ראו צילום מסך למטה), המספקת גם ממשק גרפי לעיצוב ובדיקת מעגלים. ברמה הבאה, כחלק מרשת Q Q של IBM, לארגונים (אוניברסיטאות וחברות גדולות) ניתנת גישה למערכות המחשוב הקוונטי והכלי הפיתוח המתקדמות ביותר של IBM Q.

Qiskit תומך ב- Python 3.5 ואילך ומופעל על אובונטו, macOS ו- Windows. כדי להגיש תוכנית Qiskit לאחד ממחשבי הקוונטים או סימולטורי הקוונטים של IBM, אתה צריך אישורי IBM Q Experience. Qiskit כולל אלגוריתם וספריית יישומים, Aqua, המספקת אלגוריתמים כמו חיפוש של גרובר ויישומים לכימיה, AI, אופטימיזציה ומימון.

יבמ חשפה דור חדש של מערכת IBM Q עם 53 קוביות בסוף 2019, כחלק מצי מורחב של מחשבים קוונטיים במרכז המחשוב הקוונטי של יבמ במדינת ניו יורק. מחשבים אלה זמינים בענן ליותר מ -150,000 משתמשים רשומים של IBM וכמעט 80 לקוחות מסחריים, מוסדות אקדמיים ומעבדות מחקר.

מחשוב קוונטי באינטל

מחקר במעבדות אינטל הוביל ישירות לפיתוחו של Tangle Lake, מעבד קוונטי מוליך-על המשלב 49 קוביות בחבילה המיוצרת במתקן הייצור של אינטל בהיקף 300 מילימטר בהילסבורו, אורגון. מכשיר זה מייצג את הדור השלישי של מעבדי הקוונטים המיוצרים על ידי אינטל, ומגדילים מעלה 17 קילו בקודמו. אינטל שלחה מעבדי Tangle Lake ל- QuTech בהולנד לצורך בדיקה ועבודה על תכנון ברמת המערכת.

אינטל עוסקת גם במחקר על סבבי ספין, המתפקדים על בסיס סיבוב של אלקטרון בודד בסיליקון, הנשלט על ידי פעימות מיקרוגל. בהשוואה לקוביטים של מוליכות-על, קווי-סביט של ספין דומים הרבה יותר לרכיבי מוליכים-למחצה קיימים הפועלים בסיליקון, ועלולים לנצל את טכניקות הייצור הקיימות. סבבי סבב צפויים להישאר קוהרנטיים הרבה יותר מאשר קווביטים מוליכים-על, ולקחת הרבה פחות מקום.

מחשוב קוונטי במיקרוסופט

מיקרוסופט חוקרת מחשבים קוונטיים כבר למעלה מ -20 שנה. בהודעה הפומבית על מאמץ המחשוב הקוונטי של מיקרוסופט באוקטובר 2017, ד"ר קריסטה סבור דנה בכמה פריצות דרך, כולל שימוש בקוביטים טופולוגיים, שפת התכנות Q # וערכת הפיתוח הקוונטית (QDK). בסופו של דבר, מחשבים קוונטיים של מיקרוסופט יהיו זמינים כמעבדים משותפים בענן Azure.

הקוביטים הטופולוגיים לובשים צורה של חוטי מוליך-על. בתכנית זו ניתן להפריד בין חלקי האלקטרון, ויוצרים רמת הגנה מוגברת למידע המאוחסן בקוויביט הפיזי. זוהי סוג של הגנה טופולוגית המכונה חלקיקת מיגורנה. החלקיק הכמו-חלקיקי מיורנה, פרמיון מוזר שפועל כנוגד החלקיקים שלו, נחזה בשנת 1937 והתגלה לראשונה במעבדת קוואנטום של מיקרוסופט בהולנד בשנת 2012. הקוביט הטופולוגי מספק בסיס טוב יותר מצמתים של ג'וזפסון. מכיוון שיש לו שיעורי שגיאה נמוכים יותר, מה שמקטין את היחס בין קווביטים פיזיים לקוביטים לוגיים ותיקוני שגיאה. עם יחס מופחת זה, קווביטים לוגיים יותר מסוגלים להשתלב במקרר הדילול, ויוצרים יכולת גודל.

מיקרוסופט העריכה באופן שונה כי קיוביט טופולוגי אחד של מיורנה שווה בין 10 ל -1,000 צומת ג'וזפסון בצומת מבחינת קווביטים לוגיים שתוקנו שגיאה. כצידה, אטורה מיורנה, הפיזיקאי התיאורטי האיטלקי שניבא את החלקיק הכמעט על בסיס משוואת גל, נעלם בנסיבות לא ידועות במהלך שייט בסירה מפלרמו לנאפולי ב- 25 במרץ 1938.