Microsoft: Beş yılda 100 topolojik kübit içeren bir kuantum bilgisayar oluşturun
Xinzhiyuan Raporu
Kaynak: CSDN
Eser sahibi: Meng Yan
Xin Zhiyuan Rehberi Microsoft Build 2018 konferansının ikinci gününde, Microsoft'un kuantum hesaplama departmanının başkan yardımcısı ve başkanı Todd Holmdahl, dış dünyaya Microsoft'un beş yıl içinde 100 topolojik kübit içeren ilk kuantum bilgisayarı oluşturabileceğini ve entegre edebileceğini Azure'da. 100 topolojik kübitin bilgi işlem gücü 1.000 mantıksal kübite kadar yüksek olabilir; bu, beş yıl sonra Microsoft'un birçok pratik sorunu çözmek için kuantum bilgisayarları kullanabileceği anlamına gelir.
Pek çok insan için kuantum hesaplama, yapay zeka gibi, her zaman geleceğin bir teknolojisi olmuştur: Bunu uzun zaman önce duydum ve ilerliyor, ancak hedefe hala beş yıl uzakta. Geliştiriciler söz konusu olduğunda, neyse ki, kuantum hesaplama her zaman "gelecekte durduruldu". Bir yandan, devlerin koşu bandında büyük bir ilgiyle çılgınca koşmasının tadını çıkarabiliriz ve diğer yandan, kuantum hesaplamanın gerçekten kendi kariyerimize neden olacağından endişelenmemize gerek yok. Ne etki.
Ancak son yıllarda patlamadan önce kaya oluşumlarının birikmiş yığınının sesini duymaya başladık. IBM ve Google, art arda kuantum bilgisayarların ilerlemesini duyurdu ve giderek daha fazla akademisyen, kuantum bilgisayarların yakında gerçek olacağını ilan etti. Mevcut gelişmelere dayanarak, 21. yüzyıl sona erdiğinde, bu yüzyılın "kuantum hesaplama" yüzyılı olarak özetleneceğini kesin olarak söyleyebiliriz.
Ama soru şu ki, kuantum hesaplama çağı gerçekten ne zaman başlayacak?
Bu, teknisyenler için çok önemli bir konudur. Çünkü kuantum hesaplama bir kez uygulandığında, hesaplamayı temelde yeniden tanımlayacaktır. Öğrendiğimiz her algoritmanın yeniden yazılması gerekebilir.Bu alanda elde ettiğimiz tüm derecelerin yenilenmesi ve tüm sonuçların güncellenmesi gerekebilir.
Örneğin, günümüzün blok zincirleri ve şifrelenmiş dijital para birimleri genellikle 256-bit hash fonksiyonlarına ve asimetrik şifreleme şemalarına dayanmaktadır. Klasik von Neumann bilgisayar sisteminde, küresel bilgi işlem gücünü seferber etsek bile, bir şifreyi kırmak veya bir karma çarpışmayı bulmak on binlerce yıl sürecektir. Bu, şifrelenmiş dijital para biriminin güvenliğinin köküdür. Bitcoin hayranları, Satoshi Nakamoto'nun ikinci karmayla "kuantum karşıtı hesaplama kırma" gerçekleştirdiğine inanıyorlar.
Microsoft Build 2018 konferansının ikinci gününde, Microsoftun kuantum bilgi işlem departmanının başkan yardımcısı ve başkanı Todd Holmdahl, Microsoftun kuantum bilişimindeki en son gelişmelerden bazılarını dış dünyaya açıkladı. Microsoftun ilkini beş yıl içinde oluşturabileceğini açıkça belirtti. 100 topolojik kübite sahip bir kuantum bilgisayar ve bunu Azure ile tümleştirin. 100 topolojik kübitin hesaplama gücü 1.000 mantıksal kübite kadar yüksek olabilir; bu, beş yıl sonra Microsoft'un birçok pratik sorunu çözmek için kuantum bilgisayarları kullanabileceği anlamına gelir.
Bu şok edici bir haber. Microsoft seviyesindeki bir oyuncunun kuantum bilgisayar araştırmalarına yatırım yaptığı kesinlikle bir haber değil.Aslında, 2016 yılının sonlarında, Todd Holmdahl yeni göreve başladığında, ZDNet ile bir röportajı kabul etti ve Microsoft'un kuantum hesaplamaya girişinin durumunu açıkladı. Ancak beklenmedik olan, Microsoft'un bu alandaki ilerlemesinin o kadar hızlı olması ki, tüm geliştiricileri uyarmamız için bizi uyarması yeterli.
Şekil 1 Todd Holmdahl, Kurumsal Başkan Yardımcısı, Microsoft
Todd Holmdahl deneyimli bir donanım sistemi süpervizörüdür.Kantum bilgisayar departmanını devralmadan önce XBox ve HoloLens departmanlarından sorumluydu.Sistemi pazarda ürünleştirme konusunda ustadır. Bu nedenle, Microsoft onu iki yıl önce kuantum hesaplama departmanının başına getirdi ve bu da kendi başına kuantum hesaplamanın pratik yatırımına ilişkin bir yargıya işaret ediyor.
Todd'un girişine göre, Microsoft'un kuantum hesaplamasının üç büyük avantajı var.
İlk avantaj, hesaplamalar için sıradan "mantıksal kübitler" yerine "topolojik kübitleri" kullanan Microsoft'un benzersiz yoludur. Buradaki topoloji matematikteki topolojidir. Matematikte topoloji, sürekli deformasyon sırasında değişmeden kalan matematiksel özelliklerin incelenmesidir.Canlı bir şekilde ifade etmek gerekirse, belirli bir şekle sahip bir hamuru parçanız varsa, yırtılmadan ve yeniden bağlanmadan istediğinizi yapabilirsiniz. Sonunda A şekli B şeklinde değiştirilebildiği sürece sıkıştırın, sıkın, ovalayın ve çekin, sonra topolojik matematik açısından A ve B aynı şeydir.
Şekil 2 Topolojik olarak eşdeğer nesnelerin üç grubu
Bu konunun kuantum hesaplamayla ne ilgisi var?
Geleneksel kuantum hesaplama, bir simülatörde hata ayıklanan ve test edilen programları yazmak için sözde "mantıksal kübit" kullanır ve ardından program bir kuantum bilgisayara yerleştirilir ve gerçek fiziksel kübitlerle çalıştırılır. Bu tür geleneksel kuantum bilgisayarlar için iyi haber, fizikçilerin gereksinimleri karşılayan temel fiziksel parçacıkları bulmuş olmalarıdır.Programı yazdığınız sürece, yürütmek için bir kuantum bilgisayar inşa edebileceksiniz. Kötü haber nedir? Kötü haber şu ki, bu tür kuantum bilgisayarları inşa etmek zor.
Bir kuantum bilgisayarın yeteneklerinin "büyük" ve "küçük" ü temelde kübitlerinin sayısına bağlıdır. Geleneksel mimaride kübit sayısı arttıkça hata oranı keskin bir şekilde artacaktır. Hata nereden geldi? Sözde "Yerel Gürültü" den.
Kuantumun mikroskobik bir parçacık olduğunu bilmelisiniz ve son derece küçük bir elektromanyetik alan bile kuantuma müdahale edecek ve sözde "yerel gürültü" üretecektir. Bu nedenle kuantum bilgisayar, mutlak sıfıra yakın (yaklaşık -273 santigrat derece) bir kaba yerleştirilmeli, sıkıca kapatılmalı ve harici parazitlere karşı korunmalıdır. Bununla birlikte, kübit sayısı hızla arttığında, bu temel parçacık grubu, dış parazite karşı gittikçe daha duyarlı hale gelecek ve bu da hesaplama hatası oranlarında keskin bir artışa yol açacaktır. Bir kuantum bilgisayar inşa etmek büyük bir sorundur.
Topolojik kübit farklıdır ve bilgiyi temel parçacıkların topolojik konumu ve topolojik hareketi yoluyla işler. Daha önce de söylediğim gibi, dış müdahalenin hareket yolunu ne kadar bozduğuna bakılmaksızın, topolojik açıdan sürekli değiştiği sürece, aşağıdaki iki hareket eşdeğerdir:
Şekil 3 Üst ve alt şekillerde, iki temel parçacık konumlarını değiştirirler.Yolları farklı olsa da, topoloji açısından tamamen eşdeğerdirler.
Bu, topolojik kübitlerle hesaplamanın dış müdahalelere karşı son derece hataya dayanıklı olduğu anlamına gelir. Bu şekilde, topolojik kübitlere dayalı bilgisayarlar, büyük ölçekli ve güçlü hale getirilebilir.
Topolojik kübitler çok iyi olduğuna göre, IBM ve Google bunları neden kullanmıyor? Nedeni basit: Topolojik kübit varsayımına (Abelyan Olmayan Anyonlar) uyan temel fiziksel parçacıklar deneylerde keşfedilmemiştir ve fizikçiler bu tür temel parçacıkların bulunup bulunmadığından emin değildir. Eğer bulamazsanız, kuantum hesaplama programı ne kadar güzel olursa olsun, kuramsal olarak, pratikte buna karşılık gelen bir fiziksel kuantum bilgisayar inşa edemezseniz, bu sadece bir zevk olabilir.
İşte sorun geliyor: Microsoft şu anda topolojik kuantum hesaplamada büyük bir avantaja sahip tek teknoloji devi ve Todd Holmdahl birkaç yıl içinde 100 kubitlik bir bilgisayar yapacağına söz verdi. Kendine güveni nedir? Boş ve mutlu olmaktan korkmuyor musun? Ya da ekibi, verdiği sözü tutmasını sağlamak için gizlice önemli bir atılım yaptı?
Henüz bunu bilmiyoruz, ancak bildiğimiz şey, Toddun ekibinin bu kuantum bilgisayarın hesaplamalı kontrol teknolojisi ve üretim teknolojisinde sağlam ilerleme kaydettiği. Bu muhtemelen onun ve Microsoftun bu alandaki güveninin kaynağıdır. Eşsiz beceri.
Bu teknoloji bir atılım yaptığında, bizi uzun süredir rahatsız eden birçok bilgi işlem sorunu çözülecektir. Örneğin, ünlü gezici satıcı problemi, çeşitli NP-tamamlanmış problemler kuantum bilgisayarda çözülecek. Başka bir örnek için, yaygın olarak kullanılan RSA asimetrik şifreleme algoritması, güvenliği tamamen çarpanlara ayırma sorununa dayanır: daha büyük bir bileşik sayı elde etmek için iki büyük asal sayıyı çarpmaktır.Bu hesaplama çok hızlı olabilir, ancak sırayla Büyük bileşik sayınız, karşılaştırması zor olan iki büyük asal sayının ürününü bulmanızı sağlar.
2048 bitlik RSA şifresi için, klasik Von Neumann bilgisayarını, hatta dünyadaki en güçlü süper bilgisayarı bile kırmak bir milyar yıl alacaktı. Kuantum bilgisayarlar için kübit sayısı yeterliyse 100 saniye içinde kırılabilir. Bu, neredeyse tüm mevcut bilgi şifreleme altyapısının tamamen geçersiz olacağı anlamına gelir. Yukarıda bahsedilen Bitcoin, Satoshi Nakamoto kuantum hesaplama tehdidine karşı bir dizi şifreleme koruması gerçekleştirmiş olsa da güvenilirliği de büyük ölçüde azalacak. Teoride, Bitcoin'in kuantum hesaplama tehdidinden bir süre daha kurtulmasını sağlamak için "tek işlem, tek adres" modeli kesinlikle takip edilmelidir.
Öte yandan, yüksek kübit kuantum bilgisayarlar, makine öğreniminin optimizasyon görevleri için büyük bir avantajdır. Makine öğrenimi yapmış olan herkes bilir ki model eğitiminde hesaplama süresi esas olarak optimizasyona harcanır. Optimizasyon süreci genellikle, yüksek boyutlu bir uzay yüzeyinde küresel en yüksek noktayı (veya en düşük noktayı) bulmak olan dağ tırmanışıyla (veya yokuş aşağı) karşılaştırılır. Pek çok makine öğrenimi algoritması, dışbükey bir yüzey oluşturmak için beyinlerini harap eder, çünkü bu şekilde, genel olarak en iyi tek bir avantaj vardır.Bunu bulmak nispeten basittir, sadece yukarı ve aşağı eğimi takip edin.
Ancak pratikte çok sayıda sorun bu kadar güzel dışbükey yüzeyler oluşturmaz, ancak dalgalanır Bu dağ yüksek dağa bakar. Algoritmada bazı çözümler bulunsa da hız ciddi şekilde yavaşlıyor. Bu durumda, kuantum bilgisayar basitçe kurtarıcıdır. Canlı bir şekilde ifade etmek gerekirse, kuantum bu dalgalı eğimli yüzeylerle bir dağı geçebilirmiş gibi yüzleşir. Adım adım tırmanmak yerine, yargıları oluşturmak için hepsinden birden geçer. Model eğitimi süresini önemli ölçüde azaltın.
Gösteride Todd bir örnek verdi: Ekibi, Pekin'in trafik optimizasyonu, yani belirli bir trafik hedefine ulaşmak için tüm motorlu araçların ve trafik tesislerinin nasıl sevk edileceği konusunda bir test yaptı. Geçmişte olanlar için, evrenin merkezinde böyle bir optimizasyon yapmanın ne demek olduğunu herkes bilir. Todd'un ekibi, aksi takdirde bir süper bilgisayarda onu bir PC'de 200 milisaniye kadar kısa bir sürede eğitmek için birkaç saat sürecek bir modeli eğitmek için kuantum hesaplama algoritmalarını kullandı, bu da 4000 kat daha hızlı. Bu sadece mevcut teknoloji seviyesindedir.Gelecekte Brainwave çipleri (Microsoft'un FPGA teknolojisine dayalı yeni AI çipi) ile donatılmış makinelerde daha hızlı olabilir.
Microsoft'un ikinci avantajı, gelecekteki kuantum bilgisayarlarını Azure ile entegre ederek Azure'un bir parçası haline getirecek olmasıdır.
Build 2018'in ilk gününde yapılan açılış konuşmasında Microsoft CEO'su Satya Nadella, Azure'un vizyonunun küresel bir bilgisayar olmak olduğunu açıkça belirtti. Hiç şüphe yok ki Todd ekibi tarafından geliştirilen kuantum bilgisayar, beş yıl sonra Azure'a eklenirse, bu, tüm dünyadaki Azure kullanıcılarının sorunları çözmek için bu kuantum bilgisayarı kullanma fırsatına sahip olduğu anlamına geliyor. Bu kuantum bilgisayarı kullanmak için sıraya giren çok sayıda kullanıcının olacağını ve bunun için yüksek bir "bilgisayar ücreti" ödemekten çekinmeyeceklerini neredeyse hayal edebiliyoruz.Azure işi için bunun anlamı elbette apaçık ortada. Elbette, kullanıcılar kesinlikle Nakamoto'nun 960.000 bitcoinini kendileri gibi almak gibi daha fazla ödül alacaklar.
Microsoft'un üçüncü avantajı, geliştirme aracı entegrasyonudur. Ordu hareket etmedi, önce yiyecek ve ot var ve geliştirme araçları her zaman Microsoft'un en iyisi oldu.
Microsoft, Q # kuantum hesaplama programlama dilini başlattı ve bunu Visual Studio'ya entegre etti. Aynı zamanda Microsoft, kuantum hesaplamayı önceden klasik bilgisayar mimarisinde deneyebilmeniz için yerel ve bulut kuantum bilgisayar simülatörleri de sağlar. Tabii ki, Microsoft ayrıca çok sayıda belge ve vaka sağlar. İlgilenen geliştiriciler bugün kuantum programlamayı öğrenebilir ve deneyebilir.
Şekil 4 Visual Studio'da Q # Quantum Programlama Dili
Kısacası, her şey beklenenden daha hızlı geldi. Aşağıdaki soru, kuantum hesaplamayı öğrenmeye başlamak için en uygun zaman ne zamandır? Bu bağlamda, Todd'un cevabı korkunç: altı yıl önce. Oğlu sadece on yedi veya on sekiz yaşındayken ve bilgisayar bilimi okumak için Stanford kampüsüne yeni girdiğinde, oğluna bir tavsiye verdiğini ve ondan birinci sınıftan beri kuantum hesaplamaya dikkat etmesini ve nesilleri nedeniyle kuantum hesaplamayı öğrenmesini istediğini söyledi. Kuantum hesaplama çağında çalışmaya ve yaşamaya mahkum olacak. Belki de çoğu insan için bu konu o kadar acil değildir, ancak şaşırtıcı değilse çoğumuz bu kararı vermek için yaşayacağız: çalışın ya da eleyin.
Yazar hakkında:
CSDN blockchain işinden sorumlu PDJ Education CEO'su CSDN başkan yardımcısı Meng Yan. Zhongguancun Blockchain Alliance'ın uzmanı China Cloud System Alliance'ın danışmanlık uzmanı.
Topluluğa katıl
Xinzhiyuan AI teknolojisi + endüstri topluluğunun işe alımında, AI teknolojisi + endüstrisiyle ilgilenen öğrenciler küçük bir WeChat asistanı hesabı ekleyebilirler: aiera2015_3 Gruba katılın; incelemeyi geçtikten sonra sizi gruba katılmaya davet edeceğiz. Topluluğa katıldıktan sonra, grup açıklamalarını değiştirmeniz gerekir (isim-şirket-pozisyon; profesyonel grup incelemesi katıdır, lütfen anlayın).
