Malapit ba sa kompyuter ang kabuuan?

Ang kabuuan ng computing - ang ideya ng pakikipagtulungan sa mga computer na nagpapakita ng mga katangian ng dami, tulad ng pagkakaroon ng maraming mga estado nang sabay-sabay na napag-usapan sa mahabang panahon, ngunit ngayon ay tila malapit na sa katotohanan, na may ilang mga malaking pagsulong. Sa kumperensya ng Techonomy noong nakaraang linggo, nagkaroon ako ng pagkakataon na mag-host ng isang panel sa paksa na may mga pinuno ng ilan sa mga kumpanya na nagtutulak sa sobre sa paksang ito, kabilang ang D-Wave at IBM.

Si Bryan Jacobs, isang consultant sa Berberian & Company, na nag-aalok ng payo sa kabuuan ng computing, ay ipinaliwanag na sa lahat ng mga elektronikong ginagamit namin ngayon, ang impormasyon ay naka-imbak sa pamamagitan ng singil ng isang elektron na kung saan o nasa; sa madaling salita, medyo. Ngunit kung na-encode mo ang impormasyon sa isang estado ng kabuuan, tulad ng isang solong elektron o isang photon, maaari mong mapa iyon sa isang zero at isang, tulad ng isang regular na klasikal na piraso, ngunit din isang superposisyon, kung saan maaari itong maging zero at isang sabay-sabay . Ipinaliwanag niya na ang nakawiwiling paniwala ay kung mayroon kang isang computer na dami na mayroong isang malaking bilang ng mga bula na ito ng dami - madalas na tinatawag na qubits - maaari mo itong simulan sa isang superposisyon ng lahat ng posibleng mga pag-input nang sabay-sabay, at pagkatapos, kung maaari mong iproseso ang impormasyon sa isang magkakaugnay na paraan, sa ilang kahulugan maaari mong kalkulahin ang parehong pag-andar sa lahat ng mga posibleng pag-input nang sabay-sabay. Ito ay kilala bilang kabuuan ng pagkakatulad. Nabanggit niya na mayroong isang magkakaibang mga diskarte na sinusubukan ng mga tao ngayon - ang isa ay batay sa gate, na kung saan ay katulad ng tradisyonal na digital na computer, at ang iba pa ay uri ng katulad sa isang proseso ng analogue, na kilala bilang dami ng pagdaragdag.

Si Vern Brownell, CEO ng D-Wave Systems, na talagang naghatid ng ilang mga makina na gumagamit ng dami ng pagsasama, sinabi ng kanyang kumpanya na gagamitin muna ang diskarte na iyon "dahil naisip namin na ang magbibigay sa amin ng kakayahan nang mas mabilis kaysa sa anumang iba pang uri ng kabuuan pagpapatupad ng computing. " Sinabi niya na si D-Wave ay tumingin sa iba pang mga modelo ng quantum computing din, ngunit ang pamamaraang ito ay ang pinaka-pragmatic.

Ipinaliwanag niya na epektibong mayroon siyang isang quantum annealer na may isang libong qubits, na maaaring galugarin ang isang puwang ng sagot ng dalawa-hanggang-sa-bilang-ng-qubits na magkakaibang mga posibilidad. Talaga ito ay gumagana sa mga kumplikadong mga problema sa pag-optimize, at mukhang hanapin ang pinakamababang enerhiya o ang pinakamahusay na sagot para sa problemang pag-optimize. Nabanggit ni Brownell na ngayon ay na-upgrade na ng Google ang isang dating binili na makina para sa kanyang dami ng artipisyal na laboratoryo ng intelihensiya, sinusuri kung paano ito makakatulong sa pagkatuto ng makina. Ang isa pang customer ay Lockheed, na naghahanap ng isang problema na tinatawag na software verification at pagpapatunay.

Kinilala ni Brownell na alinman sa mga halimbawang ito ay talagang wala na sa paggawa, ngunit sinabi na nagpatakbo sila ng mga tunay na aplikasyon na malulutas ang totoong mga problema sa laki. Sa madaling salita, hindi pa nila matumbok ang punto kung saan ang makina ng D-Wave ay napapabagsak ng mga klaseng supercomputer, ngunit sinabi niya na "malapit na kami sa iyon." Sa susunod na mga buwan, ang kumpanya ay magpapakita "na ang isang computer ng kabuuan ay maaaring higit na magaling sa kung ano ang magagawa ng klasikal na computing. Nasa ngayon na ang bisagra point namin."

Si Mark Ritter, kilalang kawani ng kawani ng pananaliksik at senior manager sa departamento ng pisikal na agham sa IBM TJ Watson Research Center, ipinaliwanag na ang kanyang koponan ay gumagawa ng maraming iba't ibang mga proyekto ng kabuuan, ngunit nakatuon ang trabaho nito sa gate-based na kabuuan ng computing at pagwawasto ng error. .

Ang isa sa mga teorista sa kanyang koponan na si Sergey Bravyi, ay nag-imbento ng "isang topological parity code." Ipinaliwanag niya na gumagamit kami ng mga error sa pagwawasto ng error sa tradisyunal na mga computer din, ngunit ang impormasyon ng kabuuan ay masyadong marupok, upang makagawa ng isang sistema na batay sa gate, kailangan mo ng isang code upang maprotektahan ang marupok na impormasyon ng dami. Ang kanyang koponan ay lumikha ng isang 4-qubit system, na may mga qubits na tinatawag na "transmons" na maaaring mapanatili ang ilan sa impormasyon ng dami para sa isang mas mahabang panahon at kasama ang code ng pagwawasto ng error ay maaaring lumikha ng gate-based na computing na batay sa gate. Sinabi niya na ito ay tulad ng isang square na sala-sala kung saan ang mga qubits ay nasa mga vertice ng graph paper; isang algorithm pagkatapos ay superimposes ang code na ito sa mga qubits. Ang layunin ng IBM ay upang magdagdag ng higit pa at mas qubits sa algorithm na iyon. Sinabi niya sa lalong madaling panahon maaari itong mapanatili ang dami ng estado nang walang hanggan.

Nabanggit niya kung paano gumamit ang kabuuan ng mga gate ng kabuuan sa lahat ng mga qubits at tumingin sa lahat ng mga potensyal na estado, na inihahambing ito sa pattern ng pagkagambala na nakikita mo kapag bumagsak ka ng maraming mga bato sa isang lawa, at kumuha ng nakabubuo at mapanirang pagkagambala. Ang pinakamahusay na sagot ay makagambala, sinabi niya, at ang sagot na ito ay ang tanging sagot na tinatapos mo, kung mayroong isang solong sagot sa problema. Sa isang computer na nakabatay sa gate ng kwento, sinabi niya, maaari mong gamitin ang panghihimasok sa coding na ito upang makakuha ng isang sagot sa pagtatapos ng proseso, at dapat itong exponentially sped up para sa ilang mga algorithm.

Habang ito ay maaari pa ring maging isang paraan, sinabi ni Ritter na ang mga tao ay nag-iisip din tungkol sa paggamit ng mga qubits upang magpatakbo ng mga analog simulation na may mataas na pagkakaisa, tulad ng pag-simulate ng iba't ibang mga molekula. Sumang-ayon si Jacobs tungkol sa kabuuan ng kunwa, at pinag-uusapan ang mga simulation ng kemikal ng mga matatag na molekula upang makahanap ng mga gamot.

Nagtanong ako tungkol sa algorithm ng Shor, na nagmumungkahi na sa isang computer ng kabuuan, maaari mong masira ang maraming maginoo na kriptograpiya. Ginamit ni Jacobs ang pagkakatulad ng isang rocket ship na sumusubok na magpadala ng mga astronaut sa buwan. Sinabi ni Jacobs na ang algorithm na nagsasagawa ng problema na sinusubukan nating malutas, tulad ng algorithm ng Shor, ay katulad ng command module ng rocket ship, at na ang pagwawasto ng error-tulad ng kung ano ang ginagawa ng koponan ng Ritter - ay tulad ng mga yugto ng rocket. Ngunit, aniya, ang mga uri ng motor o rocket engine motor na mayroon kami ngayon ay hindi sapat para sa anumang sukat na rocket ship. Sinabi niya na ito ay isang napaka-nakakalito na katanungan, at na ang lahat ng overhead na nauugnay sa paggawa ng pagkalkula ng kabuuan at pagwawasto ng error ay nangangahulugan na ang marami sa mga algorithm na mukhang talagang nangangako ngayon ay maaaring hindi mawawala. Sinabi ni Brownell na naisip niya na mayroon kaming isang dekada o higit pa bago ang dami ng mga computer na maaaring masira ang pag-encrypt ng RSA at kakailanganin naming lumipat sa kriptograpiyang post-quantum.

Binigyang diin ni Brownell na ang modelo ng gate ng quantum computing ay naiiba sa dami ng pagsasama-sama, at pinag-usapan ang tungkol sa kung gaano kapaki-pakinabang ito kapag malulutas ang ilang mga problema sa pag-optimize ngayon. Sinabi rin niya na halos malulutas nito ang mga problema na hindi maabot ng mga klasikal na computer. Sa ilang mga benchmark, sinabi niya, nahanap ng Google na ang D-Wave machine ay maaaring malutas ang mga problema sa isang lugar sa pagkakasunud-sunod ng 30-100, 000x mas mabilis kaysa sa isang algorithm ng pangkalahatang layunin na maaari ngayon. Habang ito ay hindi isang kapaki-pakinabang na algorithm, sinabi niya na ang kanyang koponan ay nakatuon sa aktwal na paggamit ng mga algorithm ng kaso na maaaring samantalahin ang kakayahang ito bilang mga antas ng processor nito sa pagganap tuwing 12-18 buwan.

Inihambing ni Brownell ang kabuuan ng computing ngayon sa Intel noong 1974 nang lumabas ito kasama ang unang microprocessor. Kasama niya ang Digital Equipment Corp. at sa oras na iyon, at sinabi na sa oras na "hindi kami partikular na nag-aalala tungkol sa Intel, dahil mayroon silang mga murang maliit na microprocessors na wala kahit saan masidhi tulad ng mga malalaking kahon at bagay na mayroon kami. Ngunit sa loob ng isang bagay na sampung taon, alam mo, ang negosyo ay ganap na nawala at ang Digital ay lumabas sa negosyo. " Sinabi niya na kahit na hindi niya iniisip ang kabuuan ng computing ay magbabanta sa buong klasikal na mundo ng computing, inaasahan niyang makikita ang mga pagdaragdag na mga pagpapabuti sa mga processors tuwing 18 buwan, sa isang punto kung saan magiging isang kakayahan na kakailanganin para sa mga tagapamahala ng IT at mga developer na gagamitin.

Sa partikular, sinabi niya, ang D-Wave ay may co-develop probabilistic algorithm ng pag-aaral, ang ilan sa mga ito sa malalim na puwang ng pagkatuto, na maaaring gumawa ng isang mas mahusay na trabaho sa pagkilala sa mga bagay at sa pagsasanay kaysa sa maaaring gawin nang walang pag-compute ng kabuuan. Sa kalaunan, nakikita niya ito bilang isang mapagkukunan sa ulap na gagamitin nang labis bilang papuri sa mga klasikal na computer.

Sinabi ni Ritter na mahirap ihambing ang alinman sa mga pamamaraan ng kabuuan laban sa mga klasikal na makina na nagsasagawa ng pangkalahatang computing ng layunin, dahil ang mga tao ay gumagawa ng mga accelerator, at gumagamit ng mga GPU at FPGA na dinisenyo para sa mga tiyak na gawain. Sinabi niya na kung talagang nagdidisenyo ka ng isang ASIC na tiyak sa paglutas ng iyong problema, ang totoong pag-compute ng quantum na may tunay na pagbilis ay dapat talunin ang alinman sa mga ito, dahil ang bawat pag-iipon ay nagdaragdag ka ng mga doble na espasyo sa pagsasaayos. Sa madaling salita, ang paglalagay ng isang libong qubits na magkasama ay dapat dagdagan ang puwang sa pamamagitan ng 2x1000 ^ika-ika, na kanyang nabanggit ay higit pa sa bilang ng mga atoms sa uniberso. At, aniya, sa isang computer na nakabatay sa gate, ang problema ay ang mga gate ay nagpapatakbo ng mas mabagal kaysa sa iyong cell phone, kaya mas maraming operasyon ang naganap kaagad, ngunit ang bawat operasyon ay mas mabagal kaysa sa isang klasikal na computer. "Iyon ang dahilan kung bakit kailangan mong gumawa ng isang mas malaking makina bago mo makita ang crossover na ito, " aniya.

Itinuro ni Jacobs kung magkano ang mas mahusay na computing ng kabuuan. "Kung titingnan mo ang lakas na kakailanganin gamit ang pinakamahusay na sobrang berdeng sobrang computer sa mundo, kung nais mong gawin ang tungkol sa isang 65 qubit simulation, kakailanganin nito ang tungkol sa isang planta ng nuclear power, " aniya, "at pagkatapos kung nais mo upang gawin 66 kakailanganin nito ang dalawang halaman ng nuclear power. "

Sinabi ni Brownell na may higit sa 1, 000 qubits, ang kasalukuyang makina ng D-Wave ay maaaring teoretikal na pangasiwaan ang mga modelo ng hanggang sa 2 hanggang sa ^ika- 1000, katumbas ng 10 hanggang 300 ^th . (Para sa paghahambing, sinabi niya, tinantya ng mga siyentipiko na may mga 10 hanggang 80 ^th atoms lamang sa sansinukob.) Kaya sinabi niya na ang mga limitasyon sa pagganap sa computer ay hindi dahil sa mga limitasyon sa dami ng pagsasama, ngunit sa halip na limitasyon sa I / O pag-andar, isang isyu sa engineering na tinutugunan sa bawat bagong henerasyon. Sa ilan sa mga benchmark algorithm, ang 1152-qubit machine ng kumpanya ay dapat na 600 beses na mas malakas kaysa sa pinakamahusay sa kung ano ang maaaring gawin ng mga klasikal na computer, ang kanyang inaangkin.

Ang arkitektura ng D-Wave, na gumagamit ng isang matrix ng mga qubits na may mga pagkabit na sa ilang mga paraan ay kahawig ng isang neural network, ay nagkaroon ng paunang aplikasyon sa malalim na pag-aaral ng mga neural network sa pagkatuto ng makina.

Ngunit pinag-uusapan din niya ang tungkol sa iba pang mga aplikasyon, tulad ng pagpapatakbo ng katumbas ng mga simulation ng Monte Carlo, na dati niyang ginagawa sa Goldman Sachs (kung saan siya ay CIO) para sa pagkalkula ng halaga-panganib. Naalala niya ang pagkuha nito ng halos isang milyong mga cores at kinakailangang tumakbo nang magdamag. Sa teoryang ito, ang isang computer na dami ay maaaring gumawa ng mga katulad na bagay na may mas kaunting lakas. Sinabi niya na ang makina ng D-Wave ay gumagamit ng napakaliit, ngunit kailangang tumakbo sa loob ng isang malaking ref na nagpapanatili ng napakababang temperatura (mga 8 milikelvin), ngunit ang makina mismo ay tumatagal lamang ng tungkol sa 15-20 kW upang tumakbo, na medyo maliit para sa isang sentro ng data.

Nabanggit ni Ritter ang isang katulad na ideya para sa modelong nakabatay sa gate, at tinalakay ang kabuuan ng metropolis na sampling na sinabi niya ay katumbas ng quantum na Monte Carlo, ngunit may iba't ibang mga istatistika dahil sa mga pag-aangkin ng entanglement.

Ang koponan ni Ritter ay nagtatrabaho sa kabuuan ng simulation ng analog, kung saan maaari itong makalkula at mag-mapa ng isang disenyo ng molekular sa isang koneksyon ng mga qubits at malutas nito ang perpektong mga mode at lahat ng mga pag-uugali ng isang molekula, na sinabi niya ay napakahirap kapag nakuha mo ang paligid ng 50 elektron. .

Tinalakay ni Jacobs ang kabuuan ng kriptograpiya, na nagsasangkot ng isang susi na nabuo sa isang paraan na mapatunayan na walang sinuman ang nakikinig sa paghahatid. Sinabi ni Ritter na IBM's Charlie Bennett ang awtorisadong isang diskarte para sa "teleporting" ang qubit sa link sa isa pang qubit sa makina, ngunit sinabi niya na sa tingin niya ang mga pamamaraan na ito ay higit sa ilang taon.

Itinuro ni Jacobs ang mga pagkakaiba-iba sa pagitan ng pag-compute ng quantum gate at pag-aani ng kabuuan, lalo na sa mga lugar ng pagwawasto ng error, at nabanggit na mayroong isa pang pamamaraan na tinatawag ding topological quantum computing na ginagawa ng Microsoft.

Ang isang kagiliw-giliw na hamon ay ang pagsusulat ng mga aplikasyon para sa naturang mga makina, na inilarawan ni Ritter bilang pagpapadala ng mga tono sa isang tiyak na dalas na nagiging sanhi ng iba't ibang mga qubits na sumasalamin at makipag-ugnay sa bawat isa sa oras, na nagiging sanhi ng pagkalkula na maganap "halos tulad ng isang marka ng musikal." Nabanggit niya na may mga mas mataas na antas ng wika, ngunit ang maraming trabaho ay nangangailangan pa rin ng isang teorista. Nabanggit ni Jacobs na may iba't ibang mga antas ng mga bukas na mapagkukunan na dami ng wika tulad ng QASM at Quipper, kapwa nakatuon sa kalakhan sa modelo ng gate ng quantum. Nabanggit ni Brownell na wala pang gaanong aktibidad sa pag-aani ng kabuuan, dahil mas kontrobersyal ito hanggang sa kamakailan lamang, at sinabi na D-Wave ay kailangang gumawa ng maraming gawaing iyon, at nagtatrabaho sa paglipat ng mga wika sa mas mataas na antas. Sa loob ng limang taon inaasahan niya na magiging madaling gamitin bilang isang GPU o iba pang uri ng klasikal na mapagkukunan.