Η εποχή της χρησιμότητας των κβαντικών υπολογιστών είναι ακόμα μακριά, Ψηφιακές Πλατφόρμες και Υπηρεσίες

By | January 13, 2024

Τα τελευταία τέσσερα ή πέντε χρόνια, το κοινό έμαθε γρήγορα να αναγνωρίζει ότι οι κομψοί, περίπλοκοι χρυσοί πολυέλαιοι –όπως σκελετώδεις, ανάποδες, πολυεπίπεδες μεταλλικές γαμήλιες τούρτες– που τώρα εμφανίζονται τακτικά σε τηλεοπτικές εκπομπές και ταινίες (συχνά περίπου ένα το εργαστήριο του τρελού επιστήμονα ή το λημέρι ενός κακού μεγαλομανούς) είναι δημοφιλείς, πρόχειρες απεικονίσεις κβαντικών υπολογιστών.

Ωστόσο, σε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή, ο ίδιος ο κβαντικός επεξεργαστής βρίσκεται στο κάτω μέρος του πολυελαίου και το μεγαλύτερο μέρος της υπόλοιπης συσκευής είναι ένα ψυγείο – ένα «ψυγείο αραίωσης» που αναμειγνύει ήλιο-3 και ήλιο-4 – για τη διατήρηση της ατμόσφαιρα. Θερμοκρασία CPU στους 0,015 βαθμούς Kelvin (ίση με -273,135 C ή -459,643 F, τόσο πολύ δροσερό).

Μια τέτοια εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία είναι απαραίτητη επειδή οι κβαντικοί υπολογιστές μεταφέρουν μονάδες πληροφοριών με τη μορφή κβαντικών bit ή qubits. Περιέχουν ένα σωματίδιο (για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο) που έχει δύο πιθανές καταστάσεις και, ενώ αυτό το σωματίδιο βρίσκεται σε υπέρθεση, οι κβαντικοί υπολογιστές και οι κβαντικοί αλγόριθμοι μπορούν να επωφεληθούν από τη δυνητική ισχύ αυτών των δύο καταστάσεων.

Αλλά τα qubits είναι πολύ εύθραυστα και αδύνατο να τα χειριστούν ή να τα διαχειριστούν σε «κανονικές» θερμοκρασίες. Ακόμη και κοντά στο απόλυτο μηδέν, τα qubits παραμένουν απίστευτα ευαίσθητα και διαταράσσονται εύκολα από «θόρυβο», όπως διακυμάνσεις στο μαγνητικό πεδίο της Γης, διακυμάνσεις θερμοκρασίας, ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (ειδικά από τερματικά Wi-Fi και κινητά τηλέφωνα). , οι μικροσκοπικές ατέλειες του κβαντικό σύστημα. πόρτες και την πρόσκρουση άλλων κραδασμών ή ακουστικών παρεμβολών, όπως το βουητό του τρένου του μετρό και το χτύπημα των ταξί. Οποιοσδήποτε από αυτούς τους παράγοντες (και άλλους) θα προκαλέσει την «αποσύνθεση» της κβαντικής κατάστασης, η οποία είτε τυχαιοποιεί εντελώς τα δεδομένα και τα καθιστά άχρηστα, είτε τα διαγράφει εντελώς.

Το πρόβλημα του θορύβου σε ένα περιβάλλον κβαντικών υπολογιστών είναι ένα μακροπρόθεσμο πρόβλημα και, αν και δεν είναι άλυτο, καθυστερεί την ανάπτυξη πρακτικών, ισχυρών, μεγάλης κλίμακας, ανεκτικών σε σφάλματα κβαντικών μηχανών, επειδή ακόμη και η μικρότερη ποσότητα θορύβου μπορεί να προκαλέσει αποσυνοχή και qubits. χάνουν τις αξιοσημείωτες ιδιότητες της υπέρθεσης και της εμπλοκής.

Η υπέρθεση είναι η ικανότητα ενός κβαντικού συστήματος να βρίσκεται σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα μέχρι να μετρηθεί: επιτρέπει σε κβαντικά αντικείμενα να υπάρχουν σε πολλές καταστάσεις ή θέσεις ταυτόχρονα. Αυτό σημαίνει ότι ένα αντικείμενο μπορεί να βρίσκεται σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα και να παραμένει ένα ενιαίο αντικείμενο. Η υπέρθεση σωματιδίων είναι ο θεμελιώδης τρόπος αποθήκευσης πληροφοριών σε κβαντικούς υπολογιστές.

Η κβαντική εμπλοκή συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερα κβαντικά σωματίδια συζεύγνυνται έτσι ώστε οποιαδήποτε αλλαγή σε ένα σωματίδιο θα έχει ως αποτέλεσμα την ταυτόχρονη αλλαγή στο άλλο, ακόμα κι αν τα χωρίζουν τεράστιες αποστάσεις που εκτείνονται σε γαλαξίες. Το Entanglement επιτρέπει στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν πολλαπλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα, αυξάνοντας σημαντικά την επεξεργαστική τους ισχύ και καθιστώντας τους πολύ πιο γρήγορους ακόμη και από τους μεγαλύτερους, πιο προηγμένους και ισχυρούς παραδοσιακούς υπερυπολογιστές.

Έτσι, η αναζήτηση μιας λύσης (ή μιας σειράς λύσεων) για τη μείωση του θορύβου συνεχίζεται με ταχύτητα και ακολουθούνται διάφορα μονοπάτια, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής απομόνωσης των qubits και της ανάπτυξης ολοένα και πιο ακριβών τεχνικών ελέγχου. Έχει γίνει αντιληπτό ότι, όπως συμβαίνει με πολλά πράγματα στη ζωή, τα ανθρώπινα όντα που αναπτύσσουν κβαντικούς υπολογιστές με θόρυβο και ανεκτικούς σε σφάλματα θα πρέπει να περπατήσουν πριν μπορέσουν να τρέξουν. Αυτήν τη στιγμή βρισκόμαστε στην εποχή των θορυβωδών συσκευών κβαντικής ενδιάμεσης κλίμακας (NISQ) και φαίνεται πολύ απίθανο να μπορέσουμε να λύσουμε πλήρως το πρόβλημα του θορύβου με τις σημερινές συσκευές και αλγόριθμους. Η συναίνεση φαίνεται να είναι ότι η απόδοση των συσκευών NISQ θα βελτιώνεται σταθερά και σταδιακά, αλλά θα απαιτηθεί μια τεχνολογική περιήγηση προτού ο κβαντικός υπολογισμός γίνει ισχυρός και αρκετά φθηνός για συνήθη εμπορική χρήση.

Οι προσεγγίσεις περιλαμβάνουν την καταστολή κβαντικών σφαλμάτων, τον μετριασμό σφαλμάτων και τη διόρθωση σφαλμάτων

Οι δυσκολίες που ενυπάρχουν στην ανάπτυξη και παραγωγή κβαντικών υπολογιστών είναι προφανείς, αλλά πιστεύεται ότι μπορούν και θα ξεπεραστούν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο εταιρείες όπως η Google, η IBM, η Intel και η Microsoft, που έχουν ήδη ξοδέψει δισεκατομμύρια δολάρια σε αυτήν την τεχνολογία, αυξάνουν τις επενδύσεις τους σε Ε&Α στον τομέα, ακόμη και όταν εξειδικευμένες νεοφυείς επιχειρήσεις αναπτύσσουν λύσεις βασισμένες σε συνδυασμό υλικού και λογισμικού για την πρόληψη ή ο μετριασμός των κβαντικών σφαλμάτων αρχίζει να εμφανίζεται.

Όλοι οι παίκτες εργάζονται για να εισαγάγουν την «Εποχή της Κβαντικής Χρησιμότητας», όταν θα είναι φυσικό, αποτελεσματικό και οικονομικά λογικό να επιλέγουμε κβαντικές συσκευές αντί για κλασικούς υπολογιστές για την επίλυση προβλημάτων που απαιτούν τεράστια επεξεργαστική ισχύ . Σε αυτό το πλαίσιο, υιοθετούνται διαφορετικές προσεγγίσεις. Ορισμένες εταιρείες εργάζονται για να βάλουν τον κβαντικό υπολογισμό στο cloud, με το επιχείρημα ότι αυτό θα επιτρέψει την πρόσβαση στις υπηρεσίες από οπουδήποτε στον κόσμο. Στην πραγματικότητα, αυτό έχει ήδη συμβεί σε πειραματικό επίπεδο. Ο πρώτος κβαντικός υπολογιστής με δυνατότητα cloud πέντε qubit στον κόσμο κυκλοφόρησε στο cloud σχεδόν πριν από οκτώ χρόνια, στις 4 Μαΐου 2016. Έγινε αμέσως επιτυχία μεταξύ των επιστημονικών ερευνητών, με 7.000 άτομα που εργάζονται στο cloud. να έχουν εγγραφεί για πρόσβαση στις εγκαταστάσεις κατά τη διάρκεια την πρώτη εβδομάδα κυκλοφορίας του. λειτουργία – υπήρχαν 22.000 εγγεγραμμένοι χρήστες λιγότερο από ένα μήνα αργότερα.

Με τα χρόνια, καθώς έχουν μάθει περισσότερα για την παράξενη φύση του κβαντικού υπολογισμού και τις πολλές δυσκολίες που εμπεριέχονται στον έλεγχο μιας υπολογιστικής διαδικασίας που βασίζεται σε κβαντικά κύματα, έχουν προκύψει τρεις ευρείες κατηγορίες λύσεων. Το πρώτο είναι η καταστολή σφαλμάτων, η οποία χρησιμοποιεί συνεχώς γνωστές ιδιότητες κλασικού λογισμικού και αλγορίθμων μηχανικής μάθησης για να αναλύσει τι συμβαίνει σε κβαντικά κυκλώματα και qubits και διαμορφώνει εκ νέου τον σχεδιασμό της διαδικασίας για να διασφαλίσει ότι οι πληροφορίες που περιέχονται στα qubits προστατεύονται καλύτερα.

Η δεύτερη λύση είναι ο μετριασμός σφαλμάτων και βασίζεται στο γεγονός ότι όλα τα σφάλματα που προκαλούνται από το θόρυβο δεν θα οδηγήσουν σε αποσυνοχή και ως εκ τούτου θα προκαλέσουν την αποτυχία ενός κβαντικού προγράμματος. Ωστόσο, ένας τέτοιος υπολογισμός θα περιπλανηθεί σε μονοπάτια που δεν οδηγούν πουθενά, και εξετάζοντας τα σφάλματα που τον εκτροχιάστηκαν, μπορεί να είναι δυνατό να φορτιστεί ένα κβαντικό σύστημα με κάτι ανάλογο με την «ακύρωση». «καταστολή ηχούς» στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα «καταστολή ηχούς» στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. φίλτρο θορύβου για τον περιορισμό της διάδοσης των σφαλμάτων, τόσο κατά την ίδια τη διαδικασία υπολογισμού όσο και στο τελικό αποτέλεσμα. Μια τέτοια λύση είναι μερική – εκτιμά τον θόρυβο αντί να προσδιορίζει όλες τις πτυχές ενός συμβάντος – και για να λειτουργήσει, ένας αλγόριθμος πρέπει να εκτελεστεί πολλές φορές, αυξάνοντας το κόστος της λειτουργίας. Ωστόσο, είναι ένα ακόμη βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση.

Η τρίτη λύση είναι η εφαρμογή της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων (QEC). Εδώ, οι πληροφορίες κωδικοποιούνται σε πολλαπλά qubits έτσι ώστε ο θόρυβος να διορθώνεται και να ελαχιστοποιείται. Αυτό λειτουργεί, αλλά για αυτό το σύστημα πρέπει να φέρει ένα υπερφορτίο πολλαπλών φυσικών qubit για την προστασία και τον έλεγχο ενός μόνο λογικού qubit. Η αναλογία μεταξύ αυτών υπολογίζεται συνήθως σε 1.000 φυσικά qubits προς ένα λογικό qubit (ένα τεράστιο και εξαιρετικά ακριβό γενικό κόστος), αλλά πρόσφατα ορισμένοι προγραμματιστές ισχυρίστηκαν ότι σε ορισμένες περιπτώσεις οι αναλογίες μπορούν να μειωθούν στο 100:1 ή ακόμα και σε ορισμένα πειράματα, έως και 13:1. Αυτό μπορεί να είναι εφικτό ή να μην έχει νόημα, αλλά ανεξάρτητα από την αναλογία, το QEC είναι ακριβό και πολύ δύσκολο στη διαχείριση.

Ταυτόχρονα, αναπτύσσονται επίσης πιο ισχυροί αλγόριθμοι, με τον Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) να αποδεικνύεται πιο ανθεκτικός στο θόρυβο και να μπορεί να εφαρμοστεί σε τρέχουσες, περιορισμένες και ατελείς κβαντικές συσκευές.

Τούτου λεχθέντος, καμία από τις παραπάνω επιλογές δεν αποτελεί μακροπρόθεσμη λύση και η διόρθωση σφαλμάτων, καθώς είναι μια εργασία σε εξέλιξη, δεν είναι εφαρμόσιμη σε εμπορικά διαθέσιμους κβαντικούς υπολογιστές, ειδικά επειδή δεν μπορεί να εκτελεστεί εύκολα ως διαδικασία σε πραγματικό χρόνο. σε εμπορικό περιβάλλον. Ωστόσο, οι παίκτες κβαντικών υπολογιστών είναι όλο και πιο αισιόδοξοι ότι μπορεί να βρεθεί μια ολοκληρωμένη λύση για το θόρυβο. Το ερώτημα είναι: πότε θα γίνει; Η απάντηση που δίνεται πιο συχνά (με ένα σίγουρο χαμόγελο αλλά σταυρωμένα δάχτυλα πίσω από την πλάτη μας) φαίνεται να είναι μέχρι το 2030…ίσως.

– Martyn Warwick, Editor, TelecomTV

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *