Der ständige Kampf zwischen Quantenphysik und klassische Computer
Josef Bsharah/ Magazin Quanten
Ein weit verbreitetes Missverständnis ist,
dass das Potenzial – und die Grenzen — von Quantum computing Hardware
kommen muss. Im digitalen Zeitalter haben wir daran gewöhnt,
Kennzeichnung Fortschritte in der Taktfrequenz und Speicher. Ebenso
haben die 50-Qubit Quantum Maschinen kommen jetzt von den gleichen von
Intel und IBM online-Vorhersagen, dass wir uns nähern "Quantum
Vorherrschaft"inspiriert – eine nebulöse Grenze wo Quantencomputer
beginnen, Dinge über die Fähigkeit zu tun der klassische Maschinen.
Quanten-Magazin
Über
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Verständnis von Wissenschaft zu verbessern durch Entwicklungen in der
Forschung abdecken und Trends in der Mathematik und der physischen und
Life Sciences.
Quanten-Vorherrschaft ist aber kein einziges,
fegen Sieg anzustreben – ein breites Rubikon überschritten werden –
sondern eher eine langwierige Reihe von kleinen Duellen. Es werden
etablierte Problem durch Problem Quanten-Algorithmus im Vergleich zu
klassischen Algorithmus. "Fortschritt ist mit Quantencomputer, nicht nur
um Geschwindigkeit,", sagte Michael Bremner, ein Quanten-Theoretiker an
der University of Technology Sydney. "Es ist viel mehr über die
Komplexität der Algorithmen im Spiel."
Paradoxerweise sind Berichte über
leistungsstarke Quantum Berechnungen motivierende Verbesserungen zu
klassischen, so dass es schwieriger für Quantum-Maschinen, um einen
Vorteil zu verschaffen. "Die meiste Zeit, wenn Menschen reden,
Quanten-computing, klassischen computing wird abgewiesen, wie etwas, das
hinter seiner höchsten Vollkommenheit ist", sagte Cristian Calude, ein
Mathematiker und Informatiker an der University of Auckland in
Neuseeland. "Aber das ist nicht der Fall. Dies ist eine laufende
Wettbewerb."
Und die Torpfosten verschieben sich. "Wenn es
darum geht zu sagen, wo die Vorherrschaft-Schwelle ist, hängt wie gut
die besten klassischen Algorithmen sind," sagte John mehreren, ein
theoretischer Physiker am California Institute of Technology. "Wie sie
besser werden, haben wir die Grenze zu bewegen."
"Es sieht nicht So einfach"
Bevor der Traum eines Quantencomputers Form in
den 1980er Jahren nahm, nahm die meisten Informatiker für
selbstverständlich, dass klassische computing war alles da war. Das Feld
Pioniere hatten überzeugend dargelegt, dass klassische
Computer-verkörpert durch die mathematische Abstraktion als eine
Turing-Maschine bekannt – sollte in der Lage, alles zu berechnen, die im
physikalischen Universum von Grundrechenarten, Aktienhandel, berechenbar
ist Schwarzes Loch Kollisionen.
Klassischen Maschinen unbedingt alle diese
Berechnungen effizient, aber nicht. Angenommen, Sie wollten etwas wie
das chemische Verhalten eines Moleküls zu verstehen. Dieses Verhalten
hängt vom Verhalten der Elektronen im Molekül, die in einer Überlagerung
von vielen klassischen Staaten bestehen. Die Dinge messier, den
Quantenzustand jedes Elektron richtet sich nach den Staaten aller
anderen – aufgrund der quantenmechanisches Phänomen, bekannt als
Verschränkung. Klassische Berechnung dieser verschränkte Zustände in
sogar sehr einfache Moleküle kann zum Alptraum der exponentiell
zunehmenden Komplexität werden.
Ein Quantencomputer kann hingegen mit den
ineinander verschlungenen Schicksale der Elektronen unter Studie
umgehen, indem zusammenlaufen und eine eigene Quantenbits verwickelt.
Dies ermöglicht dem Computer, außerordentliche Mengen an Informationen
zu verarbeiten. Jedes einzelne Qubit hinzufügen verdoppelt sich die
Staaten, die das System kann gleichzeitig speichern: zwei Qubits können
vier Staaten, drei Qubits können acht Staaten zu speichern, und so
weiter. Somit benötigen Sie nur 50 verschränkten Qubits zu Modell
Quantenzustände, die exponentiell viele klassische Bits erfordern würde
– 1,125 Billiarden um genau zu sein – zu kodieren.
Eine Quanten-Maschine könnte damit auch die
klassisch unlösbare Problem große quantenmechanische Systeme gefügig zu
simulieren, oder so schien es. "Natur ist nicht klassisch, verdammt noch
mal, und wenn Sie eine Simulation der Natur machen möchten, Sie würden
besser machen es Quantum mechanische," der Physiker Richard Feynman
berühmt im Jahr 1981 witzelte. "Und bei Gott ist es ein wunderbar
Problem, weil es nicht so einfach aussieht."
Es war natürlich nicht.
Noch bevor jemand mit Quanten Hardware basteln
begann, kämpfte Theoretiker, mit passender Software zu kommen. Schon
sehr früh gelernt Feynman und David Deutsch, ein Physiker an der
Universität Oxford, dass sie Quanteninformation, mit mathematischen
Operationen kontrollieren könnten, lineare Algebra, die Tore genannt
entlehnt. Als Analoga zu klassischen Logik-Gatter, manipulieren
Quantengatter Qubits in vielerlei Hinsicht – in einer Abfolge von
Überlagerungen und Verwicklungen zu leiten und dann ihre Messausgang.
Durch das Mischen und passende Tore zum Form-Schaltungen, könnte die
Theoretiker leicht Quantenalgorithmen zusammenstellen.
Richard Feynman, Physiker, der kam auf die
Idee für einen Quantencomputer in den 1980er Jahren, witzelte, dass "bei
Gott, es eine wunderbare Problem, weil es nicht so einfach aussieht."
Cynthia Johnson/Getty Images
Konzeption von Algorithmen, die klare
rechnerische Vorteile versprach sich als schwieriger. Durch den frühen
2000er Jahren hatte Mathematiker mit nur ein paar gute Kandidaten
kommen. Am berühmtesten, 1994, eine junge Mitarbeiterin in den Bell
Laboratories namens Peter Shor vorgeschlagen eine Quanten-Algorithmus ,
dass Faktoren Ganzzahlen exponentiell schneller als alle bekannten
klassischen Algorithmus – eine Effizienz, die es zu knacken viele
beliebte ermöglichen könnte Verschlüsselungsschemata. Zwei Jahre später
entwickelte Shors Bell Labs Kollege Lov Grover einen Algorithmus , der
die klassisch mühsam beschleunigt unsortierte Datenbanken zu
durchsuchen. "Gab es eine Vielzahl von Beispielen, die Quanten
Rechenleistung angegeben größer als klassische, sein sollte", sagte
Richard Jozsa, ein Quantum Informatiker an der University of Cambridge.
Jozsa, zusammen mit anderen Forschern würde
entdecken sondern auch eine Vielzahl von Beispielen, die genau das
Gegenteil angegeben. "Es stellt sich heraus, dass viele schöne
Quantenprozessen aussehen sie kompliziert sein sollte" und daher schwer,
auf einem klassischen Computer simulieren, Jozsa sagte. "Aber mit
clever, subtile mathematische Techniken, können Sie herausfinden, was
sie tun werden." Er und seine Kollegen festgestellt, dass sie diese
Techniken verwenden, um effizient zu simulieren – oder
"de-Quantisierung," wie Heidi sagen würde – eine erstaunliche Anzahl von
Quanten-Schaltungen. Zum Beispiel tappen Schaltungen, die Verschränkung
lassen in diese Falle, wie diejenigen, die nur eine begrenzte Anzahl von
Qubits zu verwickeln oder nur bestimmte Arten von Wucherwurzeln Tore zu
verwenden.
Was, dann gewährleistet, dass ein Algorithmus
wie Shor einzigartig leistungsfähig ist? "Das ist sehr viel eine offene
Frage", sagte Jozsa. "Wir konnten nie wirklich verstehen, warum einige
[Algorithmen] sind einfach zu klassisch simulieren und andere nicht.
Klar ist die Verschränkung wichtig, aber es ist nicht das Ende der
Geschichte." Experten begann zu Fragen, ob von der Quantenalgorithmen,
die sie glaubten viele überlegen waren vielleicht entpuppen sich um nur
normal zu sein.
Probenahme-Kampf
Bis vor kurzem war die Verfolgung der Quantum
macht weitgehend abstrakt. "Wir waren nicht wirklich besorgt mit der
Umsetzung unserer Algorithmen, da niemand glaubte, dass in der
angemessenen Zukunft wir einen Quantencomputer hätten zu tun," sagte
Jozsa. Läuft Shors-Algorithmus für ganze Zahlen groß genug, um einen
standard 128-Bit-Verschlüsselung-Schlüssel, zum Beispiel zu entsperren
Tausende von Qubits erfordern würde — sowie wahrscheinlich viele
Tausende mehr, Fehler zu korrigieren. Experimentalisten, wurden
unterdessen Gefummel beim Versuch, mehr als eine Handvoll Kontrolle.
Aber bis zum Jahr 2011 wurden die Dinge
beginnen, nachschlagen. Herbst, bei einer Konferenz in Brüssel, mehreren
spekuliert , die "den Tag wann gut kontrollierten Quantensystemen
übertrifft Aufgaben können, was getan werden kann, in der klassischen
Welt" nicht weit weg sein könnten. Den letzten Laborergebnisse, sagte
er, könnte bald zu Quantum Maschinen in der Größenordnung von 100 Qubits
führen. Bekommen sie, ziehen Sie einige "Super-klassische" Kunststück
vielleicht nicht ausgeschlossen. (Obwohl D-Wave Systems kommerzielle
Quantenprozessoren könnte dann 128 Qubits hadern und verfügen nun über
mehr als 2.000 sie nur gezielte Optimierungsprobleme angehen, viele
Experten bezweifeln, dass sie klassische Computer übertreffen können.)
"Ich wollte nur betonen wir waren nah dran –,
dass wir endlich einen echten Meilenstein in der menschlichen
Zivilisation wo Quanten-Technologie wird die mächtigste Informations-und
Telekommunikationstechnologie, die wir haben erreichen könnte," sagte
mehreren. Er nannte diesen Meilenstein "Quantum Vorherrschaft." Der Name
– und der Optimismus – stecken. "Es zog in einem Ausmaß, das ich vermute
nicht."
Das Summen über Quantum Vorherrschaft
reflektiert eine wachsende Begeisterung im Bereich — über experimentelle
Fortschritte, ja, aber vielleicht noch so über eine Reihe von
theoretischen Durchbrüche, die mit einem 2004 Papier durch die
IBM-Physiker Barbara Terhal und David begann DiVincenzo. In ihren
Bemühungen, Quantum Vermögen zu verstehen hatte das Paar ihre
Aufmerksamkeit auf rudimentäre Quanten-Rätsel bekannt als Probenahme
Probleme gedreht. In der Zeit würde diese Klasse von Problemen
Experimentatoren die größte Hoffnung für den Nachweis einer eindeutigen
Beschleunigung auf frühen Quantum-Maschinen geworden.
David Deutsch, ein Physiker an der Universität
Oxford, kam das erste Problem, das ausschließlich von einem
Quantencomputer gelöst werden könnte. Lulies Tanett
Probenahme-Probleme nutzen die schwer fassbare
Natur der Quanteninformation. Sagen Sie, dass Sie eine Folge von Toren
auf 100 Qubits anwenden. Diese Schaltung kann die Qubits in eine
mathematische Ungeheuerlichkeit gleichbedeutend mit etwas in der
Größenordnung von 2 Peitschen.100 klassischen Bits. Aber sobald Sie das
System messen, seine Komplexität reduziert auf eine Reihe von nur 100
Bits. Das System wird mit einer bestimmten Zeichenfolge ausspucken —
oder Probe – mit einiger Wahrscheinlichkeit durch Ihre Schaltung
bestimmt.
In Probenahme Problem ist das Ziel, eine Reihe
von Proben zu produzieren, die aussehen, als käme sie aus diesem
Kreislauf. Es ist wie eine Münze zu zeigen, dass es 50 Prozent Kopf und
50 Prozent-Zahl (im Durchschnitt) kommen wird immer wieder zu werfen.
Außer hier, nicht das Ergebnis von jedem "Toss" einen Einzelwert-Kopf
oder Zahl – es ist eine Kette von vielen Werten, von denen jeder durch
einige (oder sogar alle) der anderen Werte beeinflusst werden kann.
Diese Übung ist für eine gut geölte
Quantencomputer ein Kinderspiel. Es ist was es natürlich nicht. Auf der
anderen Seite scheinen die klassischen Computern eine härtere Zeit
haben. Unter den schlimmsten Umständen müssen sie machen, die
unhandliche Arbeit von Wahrscheinlichkeiten für alle möglichen
Ausgabezeichenfolgen computing – alle 2100 von ihnen – und wählen Sie
dann nach dem Zufallsprinzip Proben von dieser Verteilung. "Menschen
immer vermutet, dass dies der Fall war" besonders für sehr komplexe
Quanten Schaltungen, sagte Ashley Montanaro, Experte für
Quantenalgorithmen an der University of Bristol.
Terhal und DiVincenzo hat gezeigt, dass sogar
einige einfache Quanten-Schaltungen noch harte Probe mit klassischen
Mitteln sein sollte. Daher wurde eine Bar eingerichtet. Wenn
Experimentatoren ein Quantensystem ausspucken diese Proben bekommen
könnte, würden sie haben guten Grund zu glauben, dass sie etwas
klassisch unvergleichlich getan hatten.
Bald erweitert Theoretiker dieser Linie des
Denkens zu anderen möglichen Stichproben Probleme umfassen. Einer der
vielversprechendsten Vorschläge kamen von Scott Aaronson, Informatiker
dann am Massachusetts Institute of Technology und seine Doktorandin Alex
Arkhipov. Arbeit auf wissenschaftliche Preprint Seite arxiv.org im Jahr
2010 veröffentlichtbeschrieben sie eine Quanten-Maschine, die Photonen
durch eine optische Schaltung die verschiebt sich und teilt sich das
Licht in quantenmechanischen Möglichkeiten sendet, dadurch erzeugt
Ausgabe Muster mit bestimmte Wahrscheinlichkeiten. Diese Muster zu
reproduzieren, wurde als Boson Probenahme bekannt. Aaronson und Archipow
begründete, dass Boson Probenahme anfangen würde, zu klassischen
Ressourcen an rund 30 Photonen zu belasten – ein plausibler
experimentelle Ziel.
Ebenso verlockend waren Berechnungen momentane
Quantum Polynom oder IQP, Schaltkreise genannt. Gates hat eine
IQP-Schaltung, dass alle pendeln, was bedeutet, sie können in beliebiger
Reihenfolge auftreten, ohne das Ergebnis zu ändern, — in der gleichen
Weise 2 + 5 = 5 + 2. Diese Qualität macht IQP Schaltkreise mathematisch
erfreulich. "Wir begannen, sie zu studieren, denn die waren leichter zu
analysieren," sagte Bremner. Aber er entdeckt, dass sie andere Vorzüge
haben. In arbeiten, begann im Jahr 2010 und Culiminated in einem 2016
Papier mit Montanaro und Dan Hirte, jetzt bei der National Cyber
Security Center in Großbritannien, Bremner erklärt warum IQP Schaltungen
sehr mächtig sein kann: auch für physikalisch realistischen Systeme von
Hunderten – oder vielleicht sogar Dutzende — von Qubits, Probenahme
würde schnell ein klassisch schwieriges Problem geworden.
Bis zum Jahr 2016 mussten Boson Sampler noch 6
Photonenhinausgehen. Teams bei Google und IBM, wurden jedoch auf Chips,
die kurz vor dem 50 Qubits grenzt; im August Google ruhig ein
Konzeptpapier veröffentlicht eine Straßenkarte für den Nachweis der
Quanten Vorherrschaft auf diesen "kurzfristigen" Geräten auslegen.
Google Team hatte Probenahme aus einer
IQP-Schaltung betrachtet. Aber ein genauerer Blick durch Bremner und
seine Mitarbeiter vorgeschlagen, dass die Schaltung wahrscheinlich
einige Fehlerkorrektur benötigen würde – die müssten zusätzliche Tore
und mindestens ein paar hundert zusätzliche Qubits — um eindeutig das
beste Muskelfaserriss klassische Algorithmen. Stattdessen verwendete das
Team Argumente ähnlich der Aaronson und Bremner um zu zeigen, dass
Schaltungen nicht pendeln Tore, obwohl wahrscheinlich schwieriger zu
bauen und analysieren als IQP Schaltungen, wäre schwieriger für ein
klassisches Gerät zu simulieren. Um die klassische Berechnung machen
schlug noch schwieriger, das Team Probenahme nach dem Zufallsprinzip aus
einer Schaltung ausgewählt. Auf diese Weise wäre klassische Wettbewerber
nicht in der Lage, alle bekannten Funktionen der Schaltung Struktur,
sein Verhalten besser zu erraten zu nutzen.
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Die Zukunft der Quanten-Computing könnte auf
diese knifflige Qubit abhängen.
Aber es gab nichts, was die klassischen
Algorithmen immer einfallsreicher. In der Tat im Oktober 2017, ein Team
von IBM wie gezeigt hat, mit ein wenig klassische Einfallsreichtum, ein
Supercomputer simulieren Probenahme aus zufälligen Schaltungen auf
weniger als 56 Qubits — sofern die Schaltungen nicht zuviel Tiefe
(Schichten von Gates) beinhalten. In ähnlicher Weise hat ein fähiger
Algorithmus die klassischen Grenzen des Boson Probenahme auf rund 50
Photonen vor kurzem stieß.
Diese Upgrades sind jedoch immer noch
furchtbar ineffizient. IBM Simulation, z. B. dauerte zwei Tage, zu tun
was ein Quantencomputer wird voraussichtlich in weniger als ein Zehntel
einer Millisekunde zu tun. Fügen Sie ein paar mehr Qubits – oder ein
wenig mehr Tiefe – und Quanten-Anwärter konnten frei gleiten Sie in
Vorherrschaft Gebiet. "Generell geht es um sehr verschränkte Systeme
emulieren, es wurde kein [klassischer] Durchbruch, der wirklich das
Spiel verändert hat", sagte mehreren. "Wir sind nur an der Grenze
knabbern anstatt explodieren sie."
Das ist um nicht zu sagen, dass es ein klarer
Sieg. "Wo die Grenze ist eine Sache, die Menschen werden weiterhin
diskutieren", sagte Bremner. Stellen Sie sich dieses Szenario: Forscher
Probe aus einer 50-Qubit-Schaltung einige tiefe — oder vielleicht einen
etwas größeren weniger Tiefe – und Vormachtstellung zu behaupten. Aber
die Schaltung ist ziemlich laut – die Qubits Fehlverhalten oder die
Tore, die Arbeiten nicht gut. Also erklärte einige crackerjack
klassische Theoretiker Schlag der Quanten-Schaltung, kein Schweiß zu
simulieren, da "mit Lärm, Dinge, die man schwer werden nicht so hart aus
Sicht der klassischen sind", Bremner. "Wahrscheinlich wird das
passieren."
Was sicher ist, dass die ersten "supreme"
Quantum-Maschinen, wenn sie ankommen, nicht knacken
Verschlüsselungscodes oder neuartige pharmazeutische Moleküle zu
simulieren. "Das ist die lustige Sache über Vorherrschaft", sagte
Montanaro. "Die erste Welle der Probleme, die wir zu lösen sind, für die
wir wirklich die Antworten nicht zu kümmern."
Doch diese schnelle Erfolge, egal wie klein,
werden Wissenschaftler versichern, die sie auf dem richtigen Weg sind –,
dass eine neue Regelung der Berechnung wirklich möglich ist. Dann es
niemandem ist raten, was die nächste Welle der Probleme.
Korrektur am 7. Februar 2018: die
Originalversion dieses Artikels enthalten ein Beispiel für eine
klassische Version eines Quanten-Algorithmus von Christian Calude
entwickelt. Weitere Berichterstattung hat ergeben, dass es eine starke
Debatte in der Quanten-computing-Gemeinschaft gibt, ob der
quasi-Quanten-Algorithmus löst das gleiche Problem, das der
ursprüngliche Algorithmus tut. Infolgedessen haben wir die Erwähnung des
klassischen Algorithmus entfernt.
Originalgeschichte Nachdruck mit freundlicher
Genehmigung von Quanten-Magazin, eine redaktionell unabhängige
Publikation der Simons Stiftung deren Aufgabe ist es, öffentliche
Verständnis von Wissenschaft zu verbessern durch Entwicklungen in der
Forschung abdecken und Trends in der Mathematik und der physischen und
Life Sciences.
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