Dismontling Quantum Computing: Implications for Data Science and AI

By | January 17, 2024

Dismontling Quantum Computing: Implications for Data Science and AI
Εικόνα από εκδότη

Ο κβαντικός υπολογισμός είχε μετασχηματιστικό αντίκτυπο στην επιστήμη δεδομένων και την τεχνητή νοημοσύνη, και σε αυτό το άρθρο θα πάμε πολύ πέρα ​​από τα βασικά.

Θα διερευνήσουμε τις προόδους αιχμής στους κβαντικούς αλγόριθμους και τις δυνατότητές τους να επιλύουν πολύπλοκα προβλήματα που επί του παρόντος είναι αδιανόητα με τις τρέχουσες τεχνολογίες. Επιπλέον, θα εξετάσουμε επίσης τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει ο κβαντικός υπολογισμός και πώς μπορούν να ξεπεραστούν.

Αυτή είναι μια συναρπαστική ματιά σε ένα μέλλον όπου τα όρια της τεχνολογίας ωθούνται σε νέα σύνορα, επιταχύνοντας δραματικά τις δυνατότητες της τεχνητής νοημοσύνης και της επιστήμης δεδομένων.

Ο κβαντικός υπολογισμός περιλαμβάνει εξειδικευμένους υπολογιστές που λύνουν μαθηματικά προβλήματα και τρέχουν κβαντικά μοντέλα που αποτελούν αρχές της κβαντικής θεωρίας. Αυτή η ισχυρή τεχνολογία επιτρέπει στους επιστήμονες δεδομένων να δημιουργήσουν μοντέλα που σχετίζονται με πολύπλοκες διεργασίες όπως μοριακούς σχηματισμούς, φωτοσύνθεση και υπεραγωγιμότητα.

Οι πληροφορίες επεξεργάζονται διαφορετικά από τους κλασικούς υπολογιστές, μεταφέροντας δεδομένα χρησιμοποιώντας qubits (κβαντικά bit) και όχι σε δυαδική μορφή. Τα Qubits είναι απαραίτητα για την παροχή εκθετικής υπολογιστικής ισχύος στον κβαντικό υπολογισμό, επειδή μπορούν να παραμείνουν σε υπέρθεση – θα το εξηγήσουμε με περισσότερες λεπτομέρειες στην επόμενη ενότητα.

Χρησιμοποιώντας ένα ευρύ φάσμα αλγορίθμων, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να μετρήσουν και να παρατηρήσουν μεγάλες ποσότητες δεδομένων. Οι απαραίτητοι αλγόριθμοι θα εισαχθούν από τον χρήστη και ο κβαντικός υπολογιστής θα δημιουργήσει στη συνέχεια ένα πολυδιάστατο περιβάλλον που δίνει νόημα σε διαφορετικά σημεία δεδομένων για να ανακαλύψει μοτίβα και συνδέσεις.

Κβαντικοί υπολογιστές: σημαντική ορολογία

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τους υπολογιστές, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τέσσερις βασικούς όρους: qubits, υπέρθεση, εμπλοκή και κβαντική παρεμβολή.

Qubits

Τα qubits, συντομογραφία για τα κβαντικά bit, είναι οι τυπικές μονάδες πληροφοριών που χρησιμοποιούνται στον κβαντικό υπολογισμό, με τον ίδιο τρόπο που ο παραδοσιακός υπολογισμός χρησιμοποιεί δυαδικά bit. Τα Qubits χρησιμοποιούν μια αρχή που ονομάζεται υπέρθεση, ώστε να μπορούν να βρίσκονται σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα. Τα δυαδικά bit μπορούν να είναι μόνο 0 ή 1, ενώ τα qubits μπορούν να είναι 0 ή 1, μόνο μέρος του 0 ή του 1 ή και των δύο 0 και 1.

Ενώ τα δυαδικά bit είναι συνήθως μικροτσίπ με βάση το πυρίτιο, τα qubits μπορούν να κατασκευαστούν από φωτόνια, παγιδευμένα ιόντα και άτομα ή οιονεί σωματίδια, πραγματικά ή τεχνητά. Για το λόγο αυτό, οι περισσότεροι κβαντικοί υπολογιστές απαιτούν εξαιρετικά εξελιγμένο εξοπλισμό ψύξης για να λειτουργούν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.

Επικάλυμμα

Η υπέρθεση αναφέρεται σε κβαντικά σωματίδια που είναι ένας συνδυασμός όλων των πιθανών καταστάσεων και αυτά τα σωματίδια μπορούν να αλλάξουν και να κινηθούν ενώ ο κβαντικός υπολογιστής τα παρατηρεί και τα μετρά ξεχωριστά. Μια καλή αναλογία για να εξηγήσουμε την υπέρθεση είναι οι διαφορετικές φορές που ένα νόμισμα βρίσκεται στον αέρα όταν πετιέται.

Αυτό επιτρέπει στον κβαντικό υπολογιστή να αξιολογήσει κάθε σωματίδιο με πολλούς τρόπους για να βρει διαφορετικά αποτελέσματα. Αντί της παραδοσιακής διαδοχικής επεξεργασίας, ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί να εκτελέσει μεγάλο αριθμό παράλληλων υπολογισμών ταυτόχρονα μέσω της υπέρθεσης.

Μπλέξιμο

Τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να συσχετιστούν μεταξύ τους όσον αφορά τις μετρήσεις, δημιουργώντας ένα δίκτυο που ονομάζεται εμπλοκή. Κατά τη διάρκεια αυτής της δέσμευσης, η μέτρηση ενός qubit μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υπολογισμούς που πραγματοποιούνται από άλλα qubits. Ως αποτέλεσμα, ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει εξαιρετικά πολύπλοκα προβλήματα και να επεξεργαστεί μεγάλο όγκο δεδομένων.

Κβαντικές παρεμβολές

Κατά τη διάρκεια της υπέρθεσης, τα qubits μπορεί μερικές φορές να αντιμετωπίσουν κβαντική παρεμβολή, η οποία κινδυνεύει να τα καταστήσει άχρηστα. Οι κβαντικοί υπολογιστές διαθέτουν μέτρα για να προσπαθήσουν να μειώσουν αυτές τις παρεμβολές για να διασφαλίσουν ότι τα αποτελέσματα είναι όσο το δυνατόν ακριβέστερα. Όσο περισσότερη κβαντική παρεμβολή υπάρχει, τόσο λιγότερο ακριβή είναι τα αποτελέσματα.

Η κβαντική μηχανική μάθηση (QML) και η κβαντική τεχνητή νοημοσύνη (QAI) είναι δύο υποτιμημένοι, αλλά ταχέως αναπτυσσόμενοι τομείς στην επιστήμη των δεδομένων. Πράγματι, οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης γίνονται πολύ περίπλοκοι για τους παραδοσιακούς υπολογιστές και απαιτούν τις δυνατότητες του κβαντικού υπολογισμού για την αποτελεσματική επεξεργασία τους. Σε τελική ανάλυση, αυτό θα πρέπει να οδηγήσει σε σημαντικές προόδους στον τομέα της τεχνητής νοημοσύνης.

Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να εκπαιδευτούν αποτελεσματικά με τον ίδιο τρόπο όπως τα νευρωνικά δίκτυα, προσαρμόζοντας παραμέτρους φυσικού ελέγχου για την επίλυση προβλημάτων, όπως η ισχύς ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ή η συχνότητα των παλμών λέιζερ.

Μια ευνόητη περίπτωση χρήσης είναι ένα μοντέλο ML που θα μπορούσε να εκπαιδευτεί στην ταξινόμηση του περιεχομένου σε έγγραφα, κωδικοποιώντας το έγγραφο στη φυσική κατάσταση της συσκευής έτσι ώστε να μπορεί να μετρηθεί. Με τους κβαντικούς υπολογιστές και την τεχνητή νοημοσύνη, οι ροές εργασιών της επιστήμης δεδομένων θα μετρώνται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, καθώς τα μοντέλα κβαντικής τεχνητής νοημοσύνης θα μπορούν να επεξεργάζονται petabyte δεδομένων και να συγκρίνουν σημασιολογικά έγγραφα, παρέχοντας έτσι στον χρήστη εκμεταλλεύσιμες πληροφορίες πέρα ​​από την πιο τρελή τους φαντασία.

Έρευνα κβαντικής μηχανικής μάθησης

Μεγάλοι παίκτες όπως η Google, η IBM και η Intel έχουν επενδύσει πολλά στον κβαντικό υπολογισμό, αλλά η τεχνολογία δεν θεωρείται ακόμη εμπορικά βιώσιμη και πρακτική λύση. Ωστόσο, η έρευνα σε αυτόν τον τομέα επιταχύνεται και οι τεχνικές προκλήσεις που σχετίζονται με τον κβαντικό υπολογισμό σίγουρα θα επιλυθούν νωρίτερα παρά αργότερα μέσω της μηχανικής μάθησης.

Η IBM και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) μπορούν να πιστωθούν ότι αποκάλυψαν την πειραματική έρευνα που έδειξε ότι ήταν δυνατός ο συνδυασμός μηχανικής μάθησης και κβαντικού υπολογισμού το 2019. Σε μια μελέτη, ένα κβάντο δύο qubit υπολογιστή χρησιμοποιήθηκε για να αποδείξει τη μηχανική μάθηση και κβαντικών υπολογιστών. Η επιστήμη των υπολογιστών θα μπορούσε να ενισχύσει την εποπτευόμενη μάθηση με ταξινόμηση χρησιμοποιώντας ένα σύνολο δεδομένων που δημιουργείται από εργαστήριο. Αυτό άνοιξε το δρόμο για περαιτέρω έρευνα για τον προσδιορισμό του πλήρους δυναμικού αυτής της τεχνολογικής συνεργασίας.

Κβαντική μηχανική μάθηση σε δράση

Σε αυτήν την ενότητα, θα παρέχουμε λεπτομέρειες σχετικά με τα έργα κβαντικής υπολογιστικής που δρομολογήθηκαν από την Google και την IBM, παρέχοντας πληροφορίες για τις τεράστιες δυνατότητες της τεχνολογίας.

  • Το TensorFlow Quantum της Google (TFQ) – Σε αυτό το έργο, η Google στοχεύει να ξεπεράσει τις προκλήσεις της μεταφοράς υπαρχόντων μοντέλων μηχανών σε κβαντικές αρχιτεκτονικές. Για να επιταχυνθεί αυτό, το TensorFlow Quantum είναι πλέον ανοιχτού κώδικα, επιτρέποντας στους προγραμματιστές να δημιουργήσουν μοντέλα κβαντικής μηχανικής εκμάθησης χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό πλαισίων κβαντικής υπολογιστικής Python και Google. Αυτό σημαίνει ότι η έρευνα σε κβαντικούς αλγόριθμους και εφαρμογές μηχανικής μάθησης έχει μια πιο ενεργή και καλύτερα εξοπλισμένη κοινότητα, επιτρέποντας νέες καινοτομίες.
  • Η κβαντική πρόκληση της IBM – Γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ της παραδοσιακής ανάπτυξης λογισμικού και της ανάπτυξης εφαρμογών κβαντικών υπολογιστών, το Quantum Challenge της IBM είναι μια ετήσια πολυήμερη εκδήλωση που επικεντρώνεται στον κβαντικό προγραμματισμό. Η εκδήλωση, στην οποία συμμετείχαν σχεδόν 2.000 συμμετέχοντες, στοχεύει να εκπαιδεύσει τους προγραμματιστές και τους ερευνητές ώστε να διασφαλίσουν ότι είναι έτοιμοι για την επανάσταση των κβαντικών υπολογιστών.
  • Cambridge Quantum Computing (CQC) και IBM – Η CQC και η IBM κυκλοφόρησαν μια Κβαντική Γεννήτρια Τυχαίων Αριθμών (QRNG) που βασίζεται σε σύννεφο τον Σεπτέμβριο του 2021. Αυτή η επαναστατική εφαρμογή μπορεί να δημιουργήσει εντροπία (πλήρης τυχαιότητα) που μπορεί να μετρηθεί. Δεν είναι μόνο μια πολύτιμη πρόοδος για την ασφάλεια στον κυβερνοχώρο από την άποψη της κρυπτογράφησης δεδομένων, αλλά μπορεί επίσης να παίξει ρόλο στην ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων AI που μπορούν να αντιμετωπίσουν το απροσδόκητο.

Μέσω αυτής της συνεχιζόμενης έρευνας και εκπαίδευσης, ο κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να τροφοδοτήσει μοντέλα μηχανικής μάθησης που μπορούν να εφαρμοστούν σε διάφορα σενάρια πραγματικού κόσμου. Για παράδειγμα, στα χρηματοοικονομικά, δραστηριότητες όπως η επένδυση μετοχών και η χρήση σημάτων AI για διαπραγμάτευση δικαιωμάτων προαίρεσης θα ενισχυθούν από την προγνωστική δύναμη της κβαντικής τεχνητής νοημοσύνης. Ομοίως, η εμφάνιση των φυσικών κβαντικών υπολογιστών θα προκαλέσει μια επανάσταση όσον αφορά τη χρήση μεθόδων πυρήνα για γραμμική ταξινόμηση σύνθετων δεδομένων.

Υπάρχουν ακόμη σημαντικά βήματα που πρέπει να γίνουν προτού η κβαντική μηχανική μάθηση μπει στην επικρατούσα τάση. Ευτυχώς, οι τεχνολογικοί γίγαντες όπως η Google και η IBM προσφέρουν λογισμικό ανοιχτού κώδικα και εκπαιδευτικούς πόρους επιστήμης δεδομένων για να παρέχουν πρόσβαση στην αρχιτεκτονική κβαντικών υπολογιστών τους, ανοίγοντας το δρόμο για νέους ειδικούς στον τομέα.

Επιταχύνοντας την υιοθέτηση των κβαντικών υπολογιστών, η τεχνητή νοημοσύνη και η ML αναμένεται να κάνουν τεράστια άλματα, λύνοντας προβλήματα που ο παραδοσιακός υπολογισμός δεν μπορεί να λύσει. Ίσως ακόμη και παγκόσμια ζητήματα όπως η κλιματική αλλαγή.

Παρόλο που αυτή η έρευνα βρίσκεται ακόμα στα αρχικά της στάδια, οι δυνατότητες της τεχνολογίας γίνονται γρήγορα εμφανείς και ένα νέο κεφάλαιο στην τεχνητή νοημοσύνη είναι στην προσιτότητά μας.

Nahla Davies είναι προγραμματιστής λογισμικού και τεχνικός συγγραφέας. Προτού αφιερώσει τη δουλειά της πλήρους απασχόλησης στο τεχνικό γράψιμο, κατάφερε, μεταξύ άλλων συναρπαστικών πραγμάτων, να γίνει επικεφαλής προγραμματιστής σε έναν οργανισμό βιωματικών επωνυμιών Inc. 5000, του οποίου οι πελάτες περιλαμβάνουν τη Samsung, την Time Warner, το Netflix και τη Sony.

Leave a Reply

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