อัลกอริทึมควอนตัมต่อสู้กับศัตรูเก่า: คอมพิวเตอร์ที่ฉลาด

อัลกอริทึมควอนตัมต่อสู้กับศัตรูเก่า: คอมพิวเตอร์ที่ฉลาด

jumbo jili

ความเข้าใจผิดที่เป็นที่นิยมคือศักยภาพและขีดจำกัดของการคำนวณควอนตัมต้องมาจากฮาร์ดแวร์ ในยุคดิจิทัล เราเคยชินกับการทำเครื่องหมายความก้าวหน้าของความเร็วสัญญาณนาฬิกาและหน่วยความจำ ในทำนองเดียวกัน เครื่องควอนตัมขนาด 50 บิตที่กำลังออนไลน์อยู่ในขณะนี้จาก Intel และ IBM ได้สร้างแรงบันดาลใจให้กับการคาดการณ์ว่าเรากำลังเข้าใกล้ “อำนาจสูงสุดของควอนตัม”ซึ่งเป็นพรมแดนที่คลุมเครือซึ่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมเริ่มทำสิ่งต่าง ๆ เกินกว่าความสามารถของเครื่องจักรแบบคลาสสิก

สล็อต

แต่อำนาจสูงสุดของควอนตัมไม่ใช่เพียงชัยชนะเดียวที่รอการแสวงหา — Rubicon กว้างๆ ที่ต้องข้าม — แต่เป็นชุดการดวลเล็ก ๆ ที่ดึงออกมา มันจะสร้างปัญหาโดยปัญหา อัลกอริธึมควอนตัมกับอัลกอริธึมแบบคลาสสิก Michael Bremnerนักทฤษฎีควอนตัมจาก University of Technology Sydney กล่าวว่า “สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม ความก้าวหน้าไม่ได้เกี่ยวกับความเร็วเท่านั้น “มันเกี่ยวกับความซับซ้อนของอัลกอริทึมมากกว่ามาก”
รายงานของการคำนวณควอนตัมที่มีประสิทธิภาพกำลังกระตุ้นให้มีการปรับปรุงให้ดีขึ้นกว่าเดิม ทำให้เครื่องจักรควอนตัมได้เปรียบได้ยากขึ้น Cristian Caludeนักคณิตศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์แห่งมหาวิทยาลัยโอ๊คแลนด์ในนิวซีแลนด์กล่าวว่า “ส่วนใหญ่เวลาที่ผู้คนพูดถึงการคำนวณแบบควอนตัม “แต่นั่นไม่ใช่กรณี นี่คือการแข่งขันอย่างต่อเนื่อง”
และเสาประตูกำลังขยับ John Preskillนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจาก California Institute of Technology กล่าวว่า “เมื่อพูดถึงขีดจำกัดสูงสุด มันขึ้นอยู่กับว่าอัลกอริธึมคลาสสิกที่ดีที่สุดนั้นดีแค่ไหน “เมื่อพวกเขาดีขึ้น เราต้องย้ายขอบเขตนั้น”
‘มันดูไม่ง่ายเลย’
ก่อนที่ความฝันของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเป็นรูปเป็นร่างขึ้นในช่วงทศวรรษ 1980 นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ยอมรับว่าการคำนวณแบบคลาสสิกนั้นมีอยู่ทั้งหมด ผู้บุกเบิกภาคสนามได้โต้แย้งอย่างน่าเชื่อถือว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก – เป็นตัวอย่างที่ดีของสิ่งที่เป็นนามธรรมทางคณิตศาสตร์ที่รู้จักกันในชื่อเครื่องทัวริง – ควรจะสามารถคำนวณทุกอย่างที่คำนวณได้ในจักรวาลทางกายภาพตั้งแต่เลขคณิตพื้นฐานไปจนถึงการซื้อขายหุ้นจนถึงการชนกันของหลุมดำ
เครื่องคลาสสิกไม่จำเป็นต้องทำการคำนวณทั้งหมดเหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพแม้ว่า สมมติว่าคุณต้องการทำความเข้าใจบางอย่าง เช่น พฤติกรรมทางเคมีของโมเลกุล พฤติกรรมนี้ขึ้นอยู่กับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในโมเลกุล ซึ่งมีอยู่ในการทับซ้อนของสถานะคลาสสิกจำนวนมาก ทำให้สิ่งต่างๆ ยุ่งเหยิงมากขึ้น สถานะควอนตัมของอิเล็กตรอนแต่ละตัวขึ้นอยู่กับสถานะของอิเล็กตรอนอื่น ๆ ทั้งหมด เนื่องจากปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมที่เรียกว่าการพัวพัน การคำนวณสภาพที่พันกันแบบคลาสสิกในโมเลกุลที่เรียบง่ายมาก ๆ อาจกลายเป็นฝันร้ายของความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ
ในทางตรงกันข้าม คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถจัดการกับชะตากรรมที่พันกันของอิเล็กตรอนภายใต้การศึกษาโดยการซ้อนและพันควอนตัมบิตของตัวเอง ซึ่งช่วยให้คอมพิวเตอร์สามารถประมวลผลข้อมูลจำนวนมากเป็นพิเศษได้ แต่ละ qubit เดียวที่คุณเพิ่มจะเพิ่มสถานะเป็นสองเท่าที่ระบบสามารถจัดเก็บได้พร้อมกัน: สอง qubits สามารถจัดเก็บได้สี่สถานะ สาม qubits สามารถจัดเก็บได้แปดสถานะ และอื่นๆ ดังนั้น คุณอาจต้องใช้ qubits ที่พันกันเพียง 50 ตัวเพื่อสร้างแบบจำลองสถานะควอนตัมที่ต้องใช้บิตคลาสสิกจำนวนมากแบบทวีคูณ – 1.125 พันล้านล้านเพื่อให้ถูกต้องแม่นยำในการเข้ารหัส
เครื่องควอนตัมสามารถทำให้ปัญหายากลำบากแบบคลาสสิกในการจำลองระบบควอนตัมกลขนาดใหญ่ที่สามารถติดตามได้หรือปรากฏขึ้น “ธรรมชาติไม่ใช่เรื่องคลาสสิก บ้าจริง และถ้าคุณต้องการสร้างแบบจำลองของธรรมชาติ คุณควรทำให้มันเป็นกลศาสตร์ควอนตัม” Richard Feynman นักฟิสิกส์ชื่อดังเคยพูดติดตลกในปี 1981 “และด้วยความโง่เขลา มันเป็นปัญหาที่วิเศษมาก เพราะมัน ดูไม่ง่ายเลย”
แน่นอนว่ามันไม่ใช่
แม้กระทั่งก่อนที่ทุกคนจะเริ่มซ่อมแซมฮาร์ดแวร์ควอนตัม นักทฤษฎีก็ยังพยายามหาซอฟต์แวร์ที่เหมาะสม ในช่วงแรก Feynman และDavid Deutschนักฟิสิกส์จาก University of Oxford ได้เรียนรู้ว่าพวกเขาสามารถควบคุมข้อมูลควอนตัมด้วยการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่ยืมมาจากพีชคณิตเชิงเส้นซึ่งพวกเขาเรียกว่าเกท คล้ายกับลอจิกเกทแบบคลาสสิก ประตูควอนตัมจัดการกับคิวบิตในทุกรูปแบบ โดยนำพวกมันไปสู่การซ้อนทับและการพัวพันอย่างต่อเนื่อง จากนั้นจึงวัดเอาต์พุต โดยการผสมและจับคู่เกทเพื่อสร้างวงจร นักทฤษฎีสามารถประกอบอัลกอริธึมควอนตัมได้อย่างง่ายดาย
ลกอริธึมการคิดที่ให้ประโยชน์ในการคำนวณที่ชัดเจนนั้นยากขึ้น ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 นักคณิตศาสตร์ได้ผู้สมัครที่ดีเพียงไม่กี่คน ที่โด่งดังที่สุดในปี 1994 พนักงานหนุ่มที่ Bell Laboratories ชื่อPeter Shor ได้เสนออัลกอริทึมควอนตัมที่แยกตัวประกอบจำนวนเต็มแบบทวีคูณได้เร็วกว่าอัลกอริธึมแบบคลาสสิกที่รู้จัก ซึ่งเป็นประสิทธิภาพที่สามารถถอดรหัสรูปแบบการเข้ารหัสที่ได้รับความนิยมจำนวนมากได้ อีกสองปีต่อมา Lov Grover ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมงานของ Bell Labs ของ Shor ได้คิดค้นอัลกอริทึมที่เร่งความเร็วกระบวนการค้นหาที่น่าเบื่อแบบคลาสสิกผ่านฐานข้อมูลที่ไม่ได้เรียงลำดับ Richard Jozsa .กล่าวว่า “มีหลายตัวอย่างที่บ่งชี้ว่าพลังคอมพิวเตอร์ควอนตัมควรมากกว่าแบบคลาสสิก”นักวิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์
แต่ Jozsa พร้อมด้วยนักวิจัยคนอื่นๆ จะค้นพบตัวอย่างมากมายที่บ่งชี้ถึงสิ่งที่ตรงกันข้าม Jozsa กล่าวว่า “ปรากฎว่ากระบวนการควอนตัมที่สวยงามจำนวนมากดูเหมือนจะซับซ้อน” ดังนั้นจึงยากที่จะจำลองบนคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก “แต่ด้วยเทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่ฉลาดและละเอียดอ่อน คุณสามารถคิดออกว่าพวกเขาจะทำอะไร” เขาและเพื่อนร่วมงานพบว่าพวกเขาสามารถใช้เทคนิคเหล่านี้เพื่อจำลองหรือ “ลดปริมาณ” ได้อย่างมีประสิทธิภาพอย่างที่ Calude กล่าว ซึ่งเป็นจำนวนวงจรควอนตัมที่น่าประหลาดใจ ตัวอย่างเช่น วงจรที่ละเว้นสิ่งพัวพันจะตกอยู่ในกับดักนี้ เช่นเดียวกับวงจรที่เข้าไปพัวพันกับ qubits ในจำนวนที่จำกัด หรือใช้เฉพาะบางประเภทของประตูที่พันกัน
อะไรที่รับประกันได้ว่าอัลกอริธึมอย่าง Shor นั้นทรงพลังเป็นพิเศษ? “นั่นเป็นคำถามที่เปิดกว้างมาก” Jozsa กล่าว “เราไม่เคยประสบความสำเร็จในการทำความเข้าใจว่าทำไม [อัลกอริทึม] บางตัวจึงจำลองแบบคลาสสิกได้ง่ายและบางแบบก็ไม่เป็นเช่นนั้น เห็นได้ชัดว่าการพัวพันเป็นสิ่งสำคัญ แต่มันไม่ใช่จุดจบของเรื่อง” ผู้เชี่ยวชาญเริ่มสงสัยว่าอัลกอริธึมควอนตัมจำนวนมากที่พวกเขาเชื่อว่าเหนือกว่าอาจกลายเป็นเรื่องธรรมดาเท่านั้น

สล็อตออนไลน์

การต่อสู้สุ่มตัวอย่าง
จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ การแสวงหาพลังควอนตัมส่วนใหญ่เป็นนามธรรม Jozsa กล่าวว่า “เราไม่ได้กังวลมากกับการใช้อัลกอริทึมของเรา เพราะไม่มีใครเชื่อว่าในอนาคตอันสมเหตุสมผล เราจะมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมให้ทำ” การรันอัลกอริธึมของ Shor สำหรับจำนวนเต็มที่มีขนาดใหญ่พอที่จะปลดล็อกคีย์การเข้ารหัสแบบมาตรฐาน 128 บิต จะต้องใช้ qubits หลายพันตัว และอาจต้องใช้อีกหลายพันตัวเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาด ขณะที่ผู้ทดลองกำลังงุ่มง่ามขณะพยายามควบคุมมากกว่าหนึ่งกำมือ
แต่ภายในปี 2011 สิ่งต่าง ๆ เริ่มที่จะค้นหา ในฤดูใบไม้ร่วงที่การประชุมในกรุงบรัสเซลส์Preskill คาดการณ์ว่า “วันที่ระบบควอนตัมที่มีการควบคุมอย่างดีสามารถทำงานที่เหนือกว่าสิ่งที่สามารถทำได้ในโลกคลาสสิก” อาจอยู่ไม่ไกล เขากล่าวว่าผลการตรวจทางห้องปฏิบัติการล่าสุดอาจนำไปสู่เครื่องควอนตัมตามลำดับที่ 100 คิวบิต การทำให้พวกเขาดึงผลงาน “สุดยอดคลาสสิก” ออกมาอาจไม่ได้เป็นปัญหา (แม้ว่าโปรเซสเซอร์ควอนตัมเชิงพาณิชย์ของ D-Wave Systems จะสามารถต่อสู้กับ 128 qubits และตอนนี้มีมากกว่า 2,000 ตัว แต่ก็จัดการเฉพาะปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพเฉพาะ ผู้เชี่ยวชาญหลายคนสงสัยว่าพวกเขาสามารถทำงานได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิก)
“ฉันแค่พยายามเน้นว่าเราเข้าใกล้กันมากขึ้น – เพื่อที่ในที่สุดเราอาจบรรลุเป้าหมายที่แท้จริงในอารยธรรมมนุษย์ที่เทคโนโลยีควอนตัมกลายเป็นเทคโนโลยีสารสนเทศที่ทรงพลังที่สุดที่เรามี” Preskill กล่าว เขาเรียกเหตุการณ์สำคัญนี้ว่า “อำนาจสูงสุดของควอนตัม” ชื่อ – และการมองโลกในแง่ดี – ติดอยู่ “มันหายไปในขอบเขตที่ฉันไม่สงสัย”
ฉวัดเฉวียนเกี่ยวกับควอนตัมอำนาจสูงสุดสะท้อนให้เห็นถึงความตื่นเต้นที่กำลังเติบโตในสนาม – มากกว่าความคืบหน้าการทดลองใช่ แต่บางทีอาจจะมากขึ้นดังนั้นกว่าชุดของนวัตกรรมทางทฤษฎีที่เริ่มต้นด้วยกระดาษ 2004โดย IBM ฟิสิกส์บาร์บาร่า Terhalและเดวิด DiVincenzo ในความพยายามที่จะเข้าใจสินทรัพย์ควอนตัม ทั้งคู่ได้หันความสนใจไปที่ปริศนาควอนตัมพื้นฐานที่เรียกว่าปัญหาการสุ่มตัวอย่าง ในเวลา ปัญหากลุ่มนี้จะกลายเป็นความหวังที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของนักทดลองในการแสดงให้เห็นถึงการเร่งความเร็วที่แจ่มชัดบนเครื่องควอนตัมยุคแรก
ปัญหาในการสุ่มตัวอย่างใช้ประโยชน์จากธรรมชาติของข้อมูลควอนตัมที่เข้าใจยาก สมมติว่าคุณใช้ลำดับของเกทกับ 100 qubits วงจรนี้อาจแส้ qubits ให้กลายเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางคณิตศาสตร์ที่เทียบเท่ากับบางสิ่งบางอย่างตามลำดับของ 2 100บิตคลาสสิก แต่เมื่อคุณวัดระบบ ความซับซ้อนของระบบจะยุบลงเหลือเพียง 100 บิตเท่านั้น ระบบจะแยกสตริงหรือตัวอย่างออกโดยมีความน่าจะเป็นที่กำหนดโดยวงจรของคุณ
ในปัญหาการสุ่มตัวอย่าง เป้าหมายคือการผลิตชุดตัวอย่างที่ดูเหมือนมาจากวงจรนี้ มันเหมือนกับการโยนเหรียญซ้ำๆ เพื่อแสดงว่า (โดยเฉลี่ย) จะออกหัว 50 เปอร์เซ็นต์ และก้อย 50 เปอร์เซ็นต์ ยกเว้นที่นี่ ผลลัพธ์ของการ “โยน” แต่ละครั้งไม่ใช่ค่าเดียว — หัวหรือก้อย — เป็นสตริงของค่าต่างๆ มากมาย ซึ่งแต่ละค่าอาจได้รับอิทธิพลจากค่าอื่นๆ บางส่วน (หรือทั้งหมด)

jumboslot

สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ได้รับการฝึกฝนมาอย่างดี แบบฝึกหัดนี้ไม่ต้องคิดมาก เป็นสิ่งที่ทำโดยธรรมชาติ ในทางกลับกัน คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกดูเหมือนจะมีช่วงเวลาที่ยากลำบากกว่า ในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด พวกเขาต้องทำงานที่เทอะทะของการคำนวณความน่าจะเป็นสำหรับสตริงเอาต์พุตที่เป็นไปได้ทั้งหมด – ทั้งหมด 2 100 รายการ – แล้วสุ่มเลือกตัวอย่างจากการแจกแจงนั้น Ashley Montanaroผู้เชี่ยวชาญด้านควอนตัมอัลกอริธึมจาก University of Bristol กล่าวว่า “ผู้คนมักคาดเดากันว่าเป็นกรณีนี้” โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรควอนตัมที่ซับซ้อนมาก
Terhal และ DiVincenzo แสดงให้เห็นว่าแม้แต่วงจรควอนตัมธรรมดาบางวงจรก็ยังยากที่จะสุ่มตัวอย่างด้วยวิธีคลาสสิก จึงมีการกำหนดแถบ หากผู้ทดลองสามารถใช้ระบบควอนตัมเพื่อคายตัวอย่างเหล่านี้ออกมาได้ พวกเขาก็มีเหตุผลที่ดีที่จะเชื่อว่าพวกเขาได้ทำสิ่งที่ไม่มีใครเทียบได้แบบคลาสสิก
ไม่ช้านักทฤษฎีก็ขยายแนวความคิดนี้เพื่อรวมปัญหาการสุ่มตัวอย่างประเภทอื่นๆ หนึ่งในข้อเสนอที่มีแนวโน้มมากที่สุดมาจากScott Aaronsonนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ และนักศึกษาปริญญาเอกของเขา Alex Arkhipov ในงานที่โพสต์บนไซต์ preprint ทางวิทยาศาสตร์ arxiv.org ในปี 2010พวกเขาอธิบายเครื่องควอนตัมที่ส่งโฟตอนผ่านวงจรออปติคัล ซึ่งจะเลื่อนและแยกแสงด้วยวิธีกลควอนตัม ดังนั้นจึงสร้างรูปแบบเอาต์พุตที่มีความน่าจะเป็นเฉพาะ การทำซ้ำรูปแบบเหล่านี้กลายเป็นที่รู้จักในนามการสุ่มตัวอย่างโบซอน Aaronson และ Arkhipov ให้เหตุผลว่าการสุ่มตัวอย่างโบซอนจะเริ่มเครียดทรัพยากรแบบคลาสสิกที่ประมาณ 30 โฟตอน ซึ่งเป็นเป้าหมายการทดลองที่น่าเชื่อถือ

slot

สิ่งล่อใจในทำนองเดียวกันคือการคำนวณที่เรียกว่าพหุนามควอนตัมทันทีหรือ IQP วงจร วงจร IQP มีประตูที่ทุกการเดินทาง ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถดำเนินการในลำดับใดก็ได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนผลลัพธ์ – ในลักษณะเดียวกัน 2 + 5 = 5 + 2 คุณภาพนี้ทำให้วงจร IQP เป็นที่ชื่นชอบทางคณิตศาสตร์ “เราเริ่มศึกษาพวกมันเพราะวิเคราะห์ง่ายกว่า” เบรมเนอร์กล่าว แต่เขาพบว่าพวกเขามีคุณธรรมอื่น ในงานที่เริ่มต้นในปี 2010และจบลงในบทความปี 2016กับ Montanaro และ Dan Shepherd ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่ National Cyber ​​Security Center ในสหราชอาณาจักร Bremner อธิบายว่าเหตุใดวงจร IQP จึงทรงพลังอย่างยิ่ง: แม้แต่กับระบบจริงหลายร้อยตัว หรือแม้แต่บางที หลายสิบของ qubits การสุ่มตัวอย่างจะกลายเป็นปัญหาที่มีหนามแบบคลาสสิกอย่างรวดเร็ว
โดย 2016 ตัวอย่าง boson ที่ยังไม่ได้ขยายเกิน6 โฟตอน อย่างไรก็ตาม ทีมงานของ Google และ IBM ต่างก็ใช้ชิปเกือบ 50 qubits; ในเดือนสิงหาคม Google ได้โพสต์ร่างเอกสารอย่างเงียบ ๆวางแผนที่ถนนเพื่อแสดงให้เห็นถึงอำนาจสูงสุดของควอนตัมบนอุปกรณ์ “ระยะใกล้” เหล่านี้

This entry was posted in Slot and tagged , , . Bookmark the permalink.