Tiedot

Googlen kvanttiprosessori voi saavuttaa kvantti-ylivallan kuukausina

Googlen kvanttiprosessori voi saavuttaa kvantti-ylivallan kuukausina

Vaikka sanoin useita kuukausia sitten, että löydämme keinon palauttaa Mooren laki takaisin, en uskonut sen laskevan näin. Uudessa raportissa vuonna Quanta-lehti Kevin Hartnettin kirjoittama Hartmut Neven, Googlen Quantum Artificial Intelligence Labin johtaja, paljastaa, että voiman kasvu jokaisella uudella parannuksella Googlen parhaaseen kvanttiprosessoriin ei ole mitään muuta kuin luonnossa. Se ei kasva vain eksponentiaalisella nopeudella, kuten Mooren laissa, mutta myös kaksinkertainen eksponentiaalinen korko, mikä tarkoittaa, että voimme olla vain kuukausien päässä käytännön kvanttilaskennan aikakauden alusta.

Googlen Hartmut Neven kertoo meille valmistautumisen

Hartnettin teoksen pitäisi olla merkittävä herätyskello maailmalle. Kun olemme suunnitelleet, ajattelemme, että huomenna olisi enemmän tai vähemmän kuin tänään, näyttää olevan jotain poikkeuksellista Googlen Quantum AI -laboratorioissa Santa Barbarassa Kaliforniassa. Joulukuussa 2018 Neven ja hänen tiiminsä alkoivat laskea yrityksen parasta kvanttiprosessoria, kun he alkoivat nähdä jotain uskomatonta.

LIITTYVÄT: EI MUITA TRANSISTORIT: MOOREN LAIN LOPPU

"He pystyivät toistamaan [kvanttiprosessorin] laskennan tavallisella kannettavalla tietokoneella", Hartnett kirjoittaa. "Sitten he tekivät tammikuussa saman testin kvanttisirun parannetulla versiolla. Tällä kertaa heidän oli käytettävä tehokasta pöytätietokonetta tuloksen simuloimiseksi. Helmikuuhun mennessä rakennuksessa ei enää ollut yhtään klassista tietokonetta, joka voisi simuloida Tutkijoiden oli pyydettävä aikaa Googlen valtavasta palvelinverkosta siihen.

"Jossakin helmikuussa minun piti soittaa sanoen:" Hei, tarvitsemme lisää kiintiöitä ", Nevens kertoi Hartnettille." Meillä oli työpaikkoja, jotka koostuivat miljoonasta prosessorista. "

Googlen tehokkain kvanttiprosessori teki jotain, jolla ei ole luonteeltaan ilmeisiä rinnakkaisuuksia. "Epäilemättä eksponentiaalinen kasvu", Hartnett kirjoittaa, "on niin yksikköä, että siitä on vaikea löytää esimerkkejä todellisesta maailmasta. Kvanttilaskennan etenemisnopeus voi olla ensimmäinen."

Nevenin ensimmäisen kerran tunnistamat kvanttilaskennanopeuksien vertaansa vailla oleva kiihtyvyys alkoi kutsua Nevenin lakiksi Googlen tutkijoiden toimesta, joka ei ole niin hienovarainen viittaus klassisen laskennan Moore-lakiin, mutta erolla. Ne ovat eräänlaisia, mutta se, mitä Googlessa tapahtuu, ei ole pelkästään Mooren lain paluuta kvanttikaudelle; Nevenin laki osoittaa meille, että voimme olla uppoutumassa täysin vieraaseen maailmaan muutamassa kuukaudessa.

Miksi Mooren lailla on merkitystä myös sen kuoleman jälkeen

Viimeisen vuosikymmenen aikana tietojenkäsittelytieteen tutkijat ja insinöörit ovat ennakoineet näennäisesti äkillistä edistymisen loppua. Mooren laki, karkea suuntaviiva, jonka mukaan piitransistorin kokoa voidaan pienentää noin puolella noin kahden vuoden välein, on ollut toiminnallisesti kuollut vuokrattuina pari vuotta.

Asuessaan se pystyi kuitenkin tunkeutumaan yhä useampiin transistoreihin erikokoisille siruille, valtuuttamalla ensin keskusyksiköt, sitten palvelimet, sitten henkilökohtaiset tietokoneet ja nyt mobiililaitteet. Parin vuoden välein kukin uusi laite ei ollut vain parannus; vallankumouksellisia teknisiä muutoksia tapahtuisi niin usein kuin kaksi tai kolme kertaa yhden vuosikymmenen aikana.

Käsittelytehon kaksinkertaistuminen jokaisessa tietokonepiirisukupolvessa kahden vuoden välein ja tämän kasvuvauhdin seurauksena on harppaus, joka tapahtuu siirtymällä rei'ityskorttitietokoneista laskemalla kuuhun suuntautuvien Apollo-astronauttien lentoreitit syntymään ja kypsymiseen. Internet, nopea tietokone taskussa, ja hermoverkot, jotka pystyvät ylläpitämään koko Kiinan kaupunkien julkisen palvelun infrastruktuuria alle 50 vuodessa.

Piitransistorilla tehty teknologinen harppaus oli ihmiskunnan historian suurin innovaatio. Mikään muu löytö tai keksintö, ei edes tulipalo, ei ole muuttunut niin paljon, niin nopeasti inhimillisessä kokemuksessamme - ja tiedämme ainakin vuosikymmenen ajan, että tämä muutosvauhti ei voisi jatkua ikuisesti. Kun transistorit lyhennetään vain seitsemään nanometriin, insinöörit taistelevat pitääkseen sähkövarauksen virtaamana kanavissa, joiden seinät ovat vain atomien paksuja.

Tee transistorista pienempi, ja prosessorin laskelmia ja logiikkaa ohjaava sähkövirta yksinkertaisesti hyppää kanavan tai vuotaa komponentista sen jälkeen, kun atomien, joiden on tarkoitus sisältää elektronivirta, on häiriintynyt ajan myötä.

Kun useampi transistori alkaa epäonnistua ja vuotaa elektroninsa muihin komponentteihin, myös ne kuluvat nopeammin ja kokevat suurempia virheitä estäen prosessorin suorituskykyä kokonaisuutena, kunnes kokonaisuudesta tulee hyödytön, vuotava elektroniseula.

Koska insinöörit eivät pysty vakauttamaan prosessorin komponentteja, jos ne menevät pienemmiksi, pii-siru on saavuttanut fyysisen rajansa - mikä lopettaa Mooren lain ja samalla odotuksen siitä, että kahden vuoden päästä tietokoneet ovat kaksi kertaa nopeammat kuin ne ovat tänään.

Emme pidä tästä lainkaan. Voimme nähdä, että teknologinen potentiaali huipentuu horisonttiin; tulla niin lähelle ja hillitä fyysiset lait ovat sellainen asia, joka ajoi meidät ensin innovaatioihin.

Joten mitä teet, jos et pysty tekemään nopeampaa tietokonetta atomiasteikolla? Tutkijat ja insinöörit ottivat väistämättä seuraavan askeleen ja etsivät vastausta kvanttimekaniikkaan atomia pienemmästä.

Kvanttimaailma

Kvanttimaailma ei kuitenkaan ole lainkaan klassisen maailman kaltainen. Eksoottiset subatomiset hiukkaset käyttäytyvät tavalla, jota on vaikea hyväksyä. Ne voivat puhaltaa suoraan fysiikan perustavanlaisten lakien läpi jättämättä väliin askelta, kuten kvanttitartunta tekee, kun pariksi muodostetut hiukkaset kommunikoivat välittömästi keskenään, vaikka ne olisivatkin maailmankaikkeuden vastakkaisilla puolilla.

Schroedinger itse, yksi kvanttimekaniikan tärkeimmistä löydöistä, ehdotti kuuluisaa ajatuskokeiluaan kissasta laatikossa, joka on sekä elävä että kuollut samanaikaisesti osoittaakseen kuinka absurdiksi hänen teoriansa olivat tulossa. Hän ei voinut uskoa, että se oli täsmälleen sellainen kuin se näytti.

Niin hullua kuin se olikin, väistämätön tosiasia on, että Schroedingerin kissa on todellakin sekä elossa että kuollut samanaikaisesti ja pysyy sellaisena, kunnes tarkkailija avaa laatikon tarkistaakseen sen; se on hetki, jolloin maailmankaikkeuden on päätettävä puhtaasti satunnaisella tavalla, mikä kissan lopullinen tila todellisuudessa on.

Paitsi että tämä Schroedingerin kissan päällekkäisyys on todistettu käytännössä, myös hiukkasten päällekkäisyys tulee myös siitä, mistä kvanttitietokoneen voima tulee.

Toimimalla hiukkasella päällekkäin - nimeltään a kvanttibittitai qubit--vastaavasti enemmän tietoa voidaan sisällyttää kvanttimuistiin, jossa on paljon vähemmän bittejä kuin klassisissa tietokoneissa, ja a-toiminnot qubit hakea kaikki mahdolliset arvot että qubit ottaa. Kun nämä qubits ovat pariksi muiden keskenään riippuvien kanssa qubits- voi suorittaa huomattavasti monimutkaisempia logiikkaoperaatioita huomattavasti lyhyemmässä ajassa.

Tämä potentiaali parantaa radikaalisti nopeutta klassisiin prosessoreihin nähden on se, mikä ajaa niin suuren osan hypeistä kvanttilaskennan ympärille juuri nyt. Se on meidän tapamme pitää nykyinen edistymisnopeus menossa, joka ei enää rajoitu veden reunaan Moore-lain päättyessä.

Kuinka taataan Quantum Computing -tekniikan parantaminen

Joten kuinka tehokas kvanttilaskenta on juuri silloin? Mitä tämä nopeus tarkoittaa todellisuudessa? Jonkin aikaa vastaus ei ollut mikään. Se oli todella naurettava idea, jota kukaan ei ottanut vakavasti.

Se on ehdotettu monin tavoin vuosien varrella 1970-luvulta lähtien perustetuissa akateemisissa julkaisuissa, ja se nousi esiin aina silloin tällöin, mutta ei ollut vain mahdotonta kuvitella tällaista järjestelmää käytännössä; tällainen kone ei palvele mitään todellista tarkoitusta perustellakseen edes rahan sijoittamista sen tutkimiseen. Sitten vuonna 1994 matemaatikko Peter Shor julkaisi paperin, joka muutti kaikkea.

Shor loi algoritmin, joka mursi julmasti ratkeamattoman matemaattisen ongelman, joka on perusta nykyaikaiselle RSA-salaukselle, kokonaislukujen alkutekijöintiongelmalle. Useiden tuhansien numeroiden pitkä kokonaisluku ei ole ensisijainen tekijä, mitä klassinen tietokone voi tehdä tehokkaasti, riippumatta siitä kuinka monta prosessoria heität siihen; tarvittavia algoritmeja joko ei tunneta tai niitä ei ole olemassa.

Vaikka nykyaikaisista tietokoneista tuli tehokkaampia ja ne pystyivät käyttämään raakaa prosessointitehoa murtaakseen aikaisemmat 256-, 512- ja jopa korkeammat bittimäärän salausavaimet, kaikki mitä sinun tarvitsee tehdä, on kertoa tietokoneellesi käytetty bittimäärä avain kahdelta ja uusi järjestelmäsi oli kirjaimellisesti eksponentiaalisesti vahvempi kuin juuri murtui.

Klassinen tietokone ei parane eksponentiaalisesti paremmin näiden ongelmien ratkaisemisessa mukana olevien lukumäärien kasvaessa. Tämä aikakompleksiksi kutsuttu rajoitus saattaa lopulta tietyt asiat klassisen tietokoneiden kapasiteetin ulkopuolelle, jotta niitä todella voidaan ratkaista. RSA-salausavainten pidentäminen voi alkaa nopeasti lisätä miljoonia, miljardeja ja jopa biljoonia vuosia aikaa, joka tarvitaan salausavaimen murtamiseen klassisen tietokoneen avulla.

Shor osoitti, että kiittien päällekkäisyyden avulla voit ratkaista tekijöihin liittyvän ongelman huomattavasti nopeammin. Voi vielä kestää kauan kaikkein vaikeimman RSA-salauksen avaaminen, mutta biljoona-biljoona-vuotinen ongelma tehtiin kvanttitietokoneella 2-5 vuoden ongelmaksi - ja vain kvanttitietokoneella.

Jos Nevenin laki tulee voimaan, kvanttitietotekniikka on täällä alle vuodessa

Ihmiset vihdoin huomasivat sen jälkeen, kun Shor julkaisi paperinsa ja huomasi, että tämä oli jotain aivan muuta kuin klassinen tietojenkäsittely ja mahdollisesti suuruusluokan voimakkaampi.

Ihmiset alkoivat nähdä potentiaalin, mutta yli 20 vuoden ajan Shorin algoritmin ilmestymisestä kyseisen algoritmin ja ehkä muutamien muiden vuosien aikana julkaistujen kvanttialgoritmien käyttäminen ovat ainoa syy, miksi tarvitsisimme koskaan kvanttitietokonetta ensimmäisessä paikka. Meille on kerrottu, että se muuttaa kaiken, ja olemme odottaneet, koska todellisuudessa näyttää tapahtuvan hyvin, hyvin vähän.

Jopa monet tietojenkäsittelytieteen ammattilaiset, mukaan lukien tohtorit ja alan veteraanit, jotka tietävät kaiken takana olevan tieteen, ovat ilmaisseet skeptisyyden siitä, että kvanttilaskenta antaa ajoittain uskomattoman lupauksensa. Se voi kuitenkin olla muuttumassa sen jälkeen, kun Neven tuli toukokuussa julkisuuteen Googlen kvanttiprosessoreiden uskomattomasta kasvusta Googlen Quantum Spring Symposiumissa ja esitteli maailmalle hänen nimeään kantavan "lain".

Hän paljasti, että mitä hän ja muu Googlen kvanttilaskentaryhmä katselivat, oli kvanttilaskentatehon "kaksinkertaisen eksponentiaalinen" kasvu suhteessa klassiseen laskentaan: "näyttää siltä, ​​ettei mitään tapahdu, mitään ei tapahdu, ja sitten huutaa, yhtäkkiä sinä olemme eri maailmassa ", hän sanoi. "Tätä koemme täällä."

Mitä kaksinkertaisesti eksponentiaalinen kasvu todella tarkoittaa?

Nevenin mukaan on kaksi tekijää, jotka yhdessä tuottavat tämän uskomattoman kasvun, jonka Google näkee kvanttitietokoneessa.

Ensimmäinen on vain kvanttilaskennan luonnollinen eksponentiaalinen etu klassiseen tietokoneeseen nähden. Jos klassiset bitit voivat olla vain yhdessä tilassa milloin tahansa, 1 tai 0, päällekkäisyydessä oleva kiitti on molemmat 1 ja 0. Tämä tarkoittaa, että qubitistä tulee eksponentiaalisesti tehokkaampaa tietojen esittämisen ja käsittelyn suhteen jokaiselle lisätylle lisäbitille. Millä tahansa määrällä kubitteja n kvanttiprosessorissa he tekevät samaa työtä tai niillä on sama määrä tietoa kuin 2n klassinen bittiä. 2 kbittiä on yhtä suuri 4 bittiä, 4 kbittiä on yhtä suuri 16 bittiä, 16 kbittiä on yhtä suuri 65, 536 bittiä, ja niin edelleen.

Toinen liittyy suoremmin parannuksiin, joita Google tekee kvanttiprosessoreilleen. Nevenin mukaan Google näkee parhaiden kvanttiprosessoriensa kehittyvän eksponentiaalisella nopeudella, minkä IBM on nähnyt myös IBM Q System One. Yhdessä Neven sanoo, että päädyt kaksinkertaisen eksponentiaalisen kasvunopeuteen kvanttilaskennassa suhteessa klassiseen laskentaan.

Miltä kaksinkertainen eksponentiaalinen kasvu näyttää? Klassinen eksponentiaalinen kasvutoiminto bittien käsittelyssä on selvästi kaksinkertaistuva, funktio määritelty seuraavasti 2n binaarijärjestelmissä. Kuinka kaksinkertaistat tuplaamisen? Yksinkertaisesti korvaa n tuplaustoiminnossa toisella tuplaustoiminnolla, tai 22n.

Koska Mooren laki on kaksinkertaistustoiminto, voimme edustaa Mooren lakia näin, missä n edustaa kahden vuoden jaksoa:

n Klassinen laskentateho (2n)
* 1 2

* 2 4
* 3 8
* 4 16
* 5 32
* 6 64
* 7 128
* 8 256
* 9 512
* 10 1024

Joten mitä tekee Nevenin laki näyttää kuin? Se näyttäisi tältä täältä, missä n vastaa kutakin uutta parannusta Googlen kvanttiprosessorille:

n 2n 2(2n) Kvanttilaskentateho suhteessa klassiseen laskentatehoon

* 1 2 2 4
* 2 4 24 16
* 3 8 28 256
* 4 16 216 65,536
* 5 32 232 4,294,967,296
* 6 64 264 18,446,744,073,709,551,616
* 7 128 2128 3.4028236692093846346337460743177e + 38
* 8 256 2256 1.1579208923731619542357098500869e + 77
* 9 512 2512 1.3407807929942597099574024998206e + 154
* 10 1024 21024 1.797693134862315907729305190789e + 308

Kun luettelo menee edellä 6, luvut alkavat tulla niin suuriksi ja abstrakteiksi, että menetät kuilun tunnelman Google-sijainnin ja sen sijainnin välillä seuraavassa vaiheessa.

Mooren lain tapauksessa se alkoi 1970-luku kaksinkertaistuu joka vuosi, ennen kuin sitä tarkistetaan noin joka toinen vuosi. Nevenin mukaan Google lisää eksponentiaalisesti prosessoriensa tehoa a kuukausittain tai puolikuukausittain. Jos Joulukuu 2018 on 1 tässä luettelossa, kun Neven aloitti laskelmansa ensimmäisen kerran, olemme jo välillä 5 ja 7.

Sisään Joulukuu 2019, vain kuuden kuukauden kuluttua Googlen kvanttilaskuriprosessorin voima voi olla missä tahansa 24096 kertaa 28192 kertaa niin voimakas kuin se oli vuoden alussa. Nevenin kertomuksen mukaan vasta helmikuuhun mennessä kolme kuukautta sen jälkeen kun he aloittivat testinsä, niin 3 luettelossamme -, siellä oliei enää klassisia tietokoneita rakennuksessa, joka pystyi luomaan uudelleen tulokset Googlen kvanttitietokoneen laskelmista, joita kannettava tietokone oli juuri tehnyt kaksi kuukautta aikaisemmin.

Neven sanoi, että seurauksena Google valmistautuu saavuttamaan kvantti-ylivalta--piste, jossa kvanttitietokoneet alkavat ylittää kvanttialgoritmeja simuloivat supertietokoneet - vain kuukaudet, ei vuotta: "Sanomme usein uskomme saavuttavamme sen vuonna 2019. Kirjoitus on seinällä."

Skeptisyys on perusteltua

On tärkeää korostaa, että tämä tehon kasvu on suhteessa klassisen tietokoneen tehoon, ei ehdoton mitta, ja että kvanttilaskennan lähtökohta ei niin kauan sitten olisi verrattavissa UNIVAC tyhjiöputken aikakauden tietokoneita 1940-luku ja 1950-luku.

Suurta osaa kvanttilaskennan teoreettisesta-tietojenkäsittelytieteestä kirjoitetaan ja siitä keskustellaan edelleen, ja on niitä, jotka epäilevät, tapahtuuko "kaksinkertaisen eksponentiaalisen" kasvun suhteessa klassiseen laskentaan todella.

Loppujen lopuksi Mooren laki voidaan tehdä, mutta klassinen tietojenkäsittely ei ole kuollut, se paranee edelleen tähän päivään asti ja jatkaa niin, kun kehitetään uusia algoritmeja, jotka parantavat klassisten tietokoneiden tehokkuutta.

Toisten mielestä ei kuitenkaan riitä, että vain vähätellään tai kiistetään Googlen väittämä nopea edistys kvanttiprosessoreilleen. IBM voi olla vaatimattomampi ennusteissaan kvantti-ylivalta, mutta he ovat varmoja, että pystyvät saavuttamaan sen noin kolmessa vuodessa. Viisi vuotta sitten monet ajattelivat, että emme näe kvanttitietokonetta vasta vuonna 2025 tai edes myöhään vuonna 2030 ja sen jälkeen.

Näyttää siltä, ​​että voimme jopa nähdä todellisen kaupan jouluna, eikä ole mitään syytä ajatella, että kvanttitietokoneiden teho ei kasva entisestään, kun joko Google tai IBM tai jopa joku muu saavuttaa totta kvantti-ylivalta.


Katso video: Googlen kvanttitietokone otti valtavan edistysaskeleen (Tammikuu 2022).