Apakah komputasi kuantum lebih dekat dengan kenyataan?

Komputasi kuantum - gagasan bekerja dengan komputer yang menunjukkan sifat-sifat kuantum, seperti kemampuan untuk menahan banyak status pada saat yang sama - telah dibahas sejak lama, tetapi sekarang tampaknya semakin mendekati kenyataan, dengan beberapa kemajuan besar. Pada konferensi Techonomy minggu lalu, saya memiliki kesempatan untuk menjadi tuan rumah sebuah panel tentang masalah ini dengan para pemimpin dari beberapa perusahaan yang mendorong amplop pada topik ini, termasuk D-Wave dan IBM.

Bryan Jacobs, seorang konsultan di Berberian & Company, yang menawarkan saran tentang komputasi kuantum, menjelaskan bahwa dalam semua elektronik yang kita gunakan saat ini, informasi disimpan melalui muatan elektron yang hidup atau mati; dengan kata lain, sedikit. Tetapi jika Anda menyandikan informasi dalam keadaan kuantum, seperti elektron tunggal atau foton, Anda dapat memetakannya menjadi nol dan satu, seperti bit klasik biasa, tetapi juga superposisi, di mana ia bisa nol dan satu secara bersamaan. Dia menjelaskan bahwa gagasan yang menarik adalah bahwa jika Anda memiliki komputer kuantum yang memiliki sejumlah besar bit kuantum ini - sering disebut qubit - Anda dapat memulainya dengan superposisi semua input yang mungkin pada saat yang sama, dan kemudian, jika Anda dapat memproses informasi dengan cara yang koheren kuantum, dalam arti tertentu Anda dapat menghitung fungsi yang sama pada semua input yang mungkin secara bersamaan. Ini dikenal sebagai paralelisme kuantum. Dia mencatat bahwa ada beberapa pendekatan yang berbeda yang orang coba saat ini - satu berbasis gerbang, yang lebih seperti komputer digital tradisional, dan yang lainnya serupa dengan proses analog, yang dikenal sebagai kuantum anil.

Vern Brownell, CEO D-Wave Systems, yang sebenarnya telah mengirimkan beberapa mesin yang menggunakan kuantum anil, mengatakan perusahaannya memilih untuk menggunakan pendekatan itu terlebih dahulu "karena kami berpikir bahwa itu akan memberi kami kemampuan lebih cepat daripada jenis kuantum lainnya. implementasi komputasi. " Dia mengatakan D-Wave melihat model komputasi kuantum lain juga, tetapi pendekatan ini adalah yang paling pragmatis.

Dia menjelaskan bahwa secara efektif dia memiliki annealer kuantum dengan seribu qubit, yang dapat menjelajahi ruang jawaban dari dua hingga sejumlah qubit kemungkinan yang berbeda. Pada dasarnya ini bekerja pada masalah optimasi yang kompleks, dan mencari energi terendah atau jawaban terbaik untuk masalah optimasi itu. Brownell mencatat bahwa Google sekarang telah memutakhirkan mesin yang sebelumnya dibeli untuk laboratorium kecerdasan buatan kuantumnya, memeriksa bagaimana ini dapat membantu dalam pembelajaran mesin. Pelanggan lain adalah Lockheed, yang melihat masalah yang disebut verifikasi dan validasi perangkat lunak.

Brownell mengakui bahwa tidak satu pun dari contoh-contoh ini yang benar-benar telah diproduksi, tetapi mengatakan mereka telah menjalankan aplikasi nyata yang memecahkan masalah nyata pada skala. Dengan kata lain, mereka belum mencapai titik di mana mesin D-Wave mengungguli superkomputer klasik, tetapi dia berkata "kami sangat dekat dengan itu." Dalam beberapa bulan ke depan, perusahaan akan menunjukkan "bahwa komputer kuantum dapat mengungguli yang terbaik dari apa yang dapat dilakukan komputasi klasik. Kami berada pada titik engsel sekarang."

Mark Ritter, anggota staf peneliti terkemuka dan manajer senior di departemen ilmu fisika di IBM TJ Watson Research Center, menjelaskan bahwa timnya melakukan sejumlah proyek kuantum yang berbeda, tetapi telah memfokuskan pekerjaannya pada komputasi kuantum berbasis gerbang dan koreksi kesalahan.

Salah satu ahli teori dalam timnya, Sergey Bravyi, menemukan "kode paritas topologis." Dia menjelaskan bahwa kami menggunakan kode koreksi kesalahan di komputer tradisional juga, tetapi informasi kuantum itu sangat rapuh, jadi untuk membuat sistem berbasis gerbang, Anda memerlukan kode untuk melindungi informasi kuantum yang rapuh itu. Timnya menciptakan sistem 4-qubit, dengan qubit yang disebut "transmon" yang dapat mempertahankan beberapa informasi kuantum untuk periode yang lebih lama dan dengan kode koreksi kesalahan dapat membuat komputasi kuantum berbasis gerbang. Dia mengatakan ini seperti kisi persegi di mana qubit berada di simpul kertas grafik; suatu algoritma kemudian menempatkan kode ini di atas qubit. Tujuan IBM adalah untuk dapat menambah lebih banyak qubit ke dalam algoritma tersebut. Dia mengatakan segera mungkin dapat mempertahankan keadaan kuantum tanpa batas.

Dia mencatat bagaimana gerbang kuantum menggunakan keterjeratan di semua qubit dan melihat semua keadaan potensial, membandingkannya dengan pola interferensi yang Anda lihat ketika Anda menjatuhkan banyak batu di kolam, dan mendapatkan interferensi konstruktif dan destruktif. Jawaban terbaik akan terganggu secara konstruktif, katanya, dan jawaban ini akan menjadi satu-satunya jawaban yang Anda dapatkan, jika ada satu jawaban untuk masalah tersebut. Di komputer kuantum berbasis gerbang, katanya, Anda dapat menggunakan interferensi dalam pengkodean ini untuk mendapatkan jawaban di akhir proses, dan ini harus dipercepat secara eksponensial untuk algoritma tertentu.

Meskipun ini mungkin masih jalan, Ritter mengatakan orang juga berpikir tentang menggunakan qubit untuk menjalankan simulasi analog dengan koherensi tinggi, seperti mensimulasikan berbagai molekul. Jacobs setuju tentang simulasi kuantum, dan berbicara tentang simulasi kimiawi molekul stabil untuk menemukan obat.

Saya bertanya tentang algoritma Shor, yang menunjukkan bahwa dengan komputer kuantum, Anda dapat memecahkan banyak kriptografi konvensional. Jacobs menggunakan analogi kapal roket yang mencoba mengirim astronot ke bulan. Jacobs mengatakan algoritma yang mengeksekusi masalah yang kita coba selesaikan, seperti algoritma Shor, mirip dengan modul perintah kapal roket, dan bahwa koreksi kesalahan - seperti apa yang sedang dikerjakan tim Ritter - seperti tahapan dari roket. Tapi, katanya, jenis bahan bakar atau motor mesin roket yang kita miliki saat ini tidak cukup untuk kapal roket ukuran apa pun. Dia mengatakan itu adalah pertanyaan yang sangat rumit, dan bahwa semua overhead yang terkait dengan melakukan perhitungan kuantum dan koreksi kesalahan berarti bahwa banyak algoritma yang terlihat sangat menjanjikan saat ini mungkin tidak berjalan dengan baik. Brownell mengatakan dia pikir kita memiliki satu dekade atau lebih sebelum komputer kuantum dapat memecahkan enkripsi RSA dan kita harus pindah ke kriptografi pasca-kuantum.

Brownell menekankan bahwa model gerbang komputasi kuantum sangat berbeda dari anil kuantum, dan berbicara tentang betapa bermanfaatnya ketika menyelesaikan masalah optimasi tertentu saat ini. Dia juga mengatakan hampir bisa memecahkan masalah yang berada di luar jangkauan komputer klasik. Pada beberapa tolok ukur, ia mencatat, Google telah menemukan bahwa mesin D-Wave dapat memecahkan masalah di suatu tempat dengan urutan 30-100.000x lebih cepat daripada algoritma tujuan umum saat ini. Meskipun ini bukan algoritma yang berguna, ia mengatakan timnya berfokus pada algoritma use case aktual yang dapat memanfaatkan kemampuan ini karena skala prosesornya dalam kinerja setiap 12-18 bulan.

Brownell membandingkan komputasi kuantum hari ini dengan Intel pada 1974 ketika keluar dengan mikroprosesor pertama. Dia bersama Digital Equipment Corp pada saat itu, dan mengatakan bahwa pada saat itu "kami tidak terlalu khawatir tentang Intel, karena mereka memiliki mikroprosesor kecil yang murah ini yang tidak sekuat kotak-kotak besar dan barang-barang yang kami miliki. Tetapi dalam hitungan sepuluh tahun, Anda tahu, bisnis benar-benar hilang dan Digital keluar dari bisnis. " Dia mengatakan bahwa sementara dia tidak berpikir komputasi kuantum akan mengancam seluruh dunia komputasi klasik, dia berharap untuk melihat peningkatan bertahap dalam prosesor setiap 18 bulan, ke titik di mana itu akan menjadi kemampuan yang akan diperlukan untuk manajer TI dan pengembang untuk digunakan.

Secara khusus, katanya, D-Wave memiliki co-dikembangkan algoritma pembelajaran probabilistik, beberapa di antaranya dalam ruang belajar yang mendalam, yang dapat melakukan pekerjaan yang lebih baik dalam mengenali hal-hal dan dalam pelatihan daripada yang dapat dilakukan tanpa komputasi kuantum. Akhirnya, ia melihat ini sebagai sumber daya di cloud yang akan digunakan sangat banyak dalam pujian dengan komputer klasik.

Ritter mengatakan sulit untuk benar-benar membandingkan salah satu metode kuantum terhadap mesin klasik yang menjalankan komputasi tujuan umum, karena orang membuat akselerator, dan menggunakan GPU dan FPGA yang dirancang untuk tugas tertentu. Dia mengatakan bahwa jika Anda benar-benar merancang ASIC yang khusus untuk menyelesaikan masalah Anda, komputasi kuantum nyata dengan akselerasi nyata harus mengalahkan salah satu dari mereka, karena setiap qubit yang Anda tambahkan menggandakan ruang konfigurasi itu. Dengan kata lain, menyatukan seribu qubit seharusnya meningkatkan ruang dengan kekuatan 2x1000 ^th, yang ia catat lebih dari jumlah atom di alam semesta. Dan, katanya, dengan komputer berbasis gerbang, masalahnya adalah bahwa gerbang beroperasi lebih lambat dari ponsel Anda, sehingga Anda memiliki lebih banyak operasi yang terjadi sekaligus, tetapi setiap operasi lebih lambat daripada di komputer klasik. "Itu sebabnya kamu harus membuat mesin yang lebih besar sebelum kamu melihat crossover ini, " katanya.

Jacobs menunjukkan seberapa banyak komputasi kuantum yang lebih efisien. "Jika Anda melihat kekuatan yang dibutuhkan menggunakan komputer super hijau super terbaik di dunia, jika Anda ingin melakukan simulasi 65 qubit, itu akan membutuhkan sekitar satu pembangkit listrik tenaga nuklir, " katanya, "dan kemudian jika Anda ingin untuk melakukan hal itu diperlukan dua pembangkit listrik tenaga nuklir."

Brownell mengatakan bahwa dengan lebih dari 1.000 qubit, mesin D-Wave saat ini secara teoritis dapat menangani model hingga 2 hingga 1000, setara dengan 10 hingga 300. (Sebagai perbandingan, katanya, para ilmuwan memperkirakan hanya ada sekitar 10 hingga atom ke-80 di alam semesta.) Jadi, ia mengatakan batas-batas kinerja pada komputer bukan karena keterbatasan dalam anil kuantum, melainkan karena keterbatasan dalam I. / O fungsi, masalah teknik yang sedang ditangani di setiap generasi baru. Pada beberapa algoritma benchmark, mesin 1152-qubit perusahaan harus 600 kali lebih kuat daripada yang terbaik dari apa yang dapat dilakukan komputer klasik, katanya.

Arsitektur D-Wave, yang menggunakan matriks qubit dengan kopling yang dalam beberapa hal menyerupai jaringan saraf, telah memiliki aplikasi awal untuk mempelajari jaringan saraf dalam pembelajaran mesin.

Tetapi dia juga berbicara tentang aplikasi lain, seperti menjalankan simulasi yang setara dengan Monte Carlo, yang biasa dia lakukan di Goldman Sachs (di mana dia CIO) untuk perhitungan risiko nilai. Dia ingat ini membutuhkan sekitar satu juta core dan harus berlari semalam. Secara teoritis, komputer kuantum dapat melakukan hal serupa dengan lebih sedikit energi. Dia mengatakan mesin D-Wave menggunakan sangat sedikit, tetapi perlu dijalankan di dalam lemari es besar yang mempertahankan suhu yang sangat rendah (sekitar 8 milikelvin), tetapi mesin itu sendiri hanya membutuhkan sekitar 15-20 kW untuk berjalan, yang cukup kecil untuk pusat data.

Ritter menyebutkan ide serupa untuk model berbasis gerbang, dan membahas pengambilan sampel metropolis kuantum yang katanya setara dengan kuantum Monte Carlo, tetapi dengan statistik berbeda karena sifat keterjeratan.

Tim Ritter sedang mengerjakan simulasi analog kuantum, di mana ia dapat menghitung dan memetakan desain molekuler ke dalam koneksi qubit dan membuatnya memecahkan mode ideal dan semua perilaku molekul, yang katanya sangat sulit setelah Anda mendapatkan sekitar 50 elektron.

Jacobs membahas kriptografi kuantum, yang melibatkan kunci yang dihasilkan dengan cara yang dapat membuktikan bahwa tidak ada yang mendengarkan transmisi. Ritter mengatakan IBM Charlie Bennett berteori teknik untuk "teleportasi" qubit pada tautan ke qubit lain di mesin, tetapi mengatakan ia berpikir teknik seperti itu lebih dari beberapa tahun ke depan.

Jacobs menunjukkan perbedaan antara komputasi gerbang kuantum dan anil kuantum, khususnya di bidang koreksi kesalahan, dan mencatat bahwa ada metode lain yang juga disebut komputasi kuantum topologi yang sedang dikerjakan Microsoft.

Salah satu tantangan yang menarik adalah menulis aplikasi untuk mesin seperti itu, yang digambarkan Ritter sebagai mengirim nada dalam frekuensi tertentu yang menyebabkan qubit yang berbeda beresonansi dan berinteraksi satu sama lain dalam waktu, yang menyebabkan perhitungan terjadi "hampir seperti skor musik." Dia mencatat bahwa ada bahasa tingkat yang lebih tinggi, tetapi banyak pekerjaan yang masih membutuhkan teori. Jacobs mencatat bahwa ada berbagai tingkatan bahasa kuantum open source seperti QASM dan Quipper, keduanya sebagian besar berfokus pada model gerbang kuantum. Brownell mencatat belum ada banyak kegiatan pada anil kuantum, karena itu lebih kontroversial hingga saat ini, dan mengatakan D-Wave harus melakukan banyak pekerjaan itu sendiri, dan sedang mengusahakan perpindahan bahasa ke tingkat yang lebih tinggi. Dalam lima tahun ia berharap ini akan semudah digunakan sebagai GPU atau sumber daya klasik lainnya.