معلومات

قد يحقق معالج Google الكمي التفوق الكمي في شهور

قد يحقق معالج Google الكمي التفوق الكمي في شهور

بينما قلت منذ عدة أشهر أننا سنجد طريقة لإعادة قانون مور ، لم أتوقع أن ينخفض ​​على هذا النحو. في تقرير جديد في مجلة كوانتا بقلم كيفن هارتنت ، يكشف هارتموت نيفين ، مدير مختبر الذكاء الاصطناعي الكمومي في Google ، أن نمو القوة مع كل تحسين جديد لأفضل معالج كمومي من Google لا يشبه أي شيء موجود في الطبيعة. إنه ينمو ليس فقط بمعدل أسي ، كما هو الحال في قانون مور ، ولكن بمعدل أ معدل مضاعف أسي ، مما يعني أننا قد نكون على بعد أشهر فقط من بداية عصر الحوسبة الكمومية العملية.

يخبرنا هارتموت نيفين من Google بالاستعداد

يجب أن تكون مقالة هارتنت صرخة إيقاظ رئيسية للعالم. مع تقدمنا ​​في العمل ، معتقدين أن الغد سيكون إلى حد ما مثل اليوم ، يبدو أن شيئًا غير عادي يحدث في مختبرات Quantum AI التابعة لـ Google في سانتا باربرا ، كاليفورنيا. في ديسمبر 2018 ، بدأ نيفين وفريقه في إجراء عملية حسابية على أفضل معالج كمي للشركة عندما بدأوا يرون شيئًا لا يصدق.

ذات صلة: لا مزيد من الترانزستورات: نهاية قانون مور

كتب هارتنت: "لقد كانوا قادرين على إعادة إنتاج حساب [المعالج الكمي] باستخدام كمبيوتر محمول عادي". "ثم في كانون الثاني (يناير) ، أجروا نفس الاختبار على نسخة محسنة من الشريحة الكمومية. هذه المرة كان عليهم استخدام جهاز كمبيوتر مكتبي قوي لمحاكاة النتيجة. بحلول فبراير ، لم يعد هناك أي أجهزة كمبيوتر كلاسيكية في المبنى يمكنها محاكاة نظرائهم الكميين. كان على الباحثين طلب الوقت على شبكة خوادم Google الهائلة للقيام بذلك.

قال نيفينز لهارتنت: "في مكان ما في فبراير / شباط ، اضطررت إلى إجراء مكالمات لأقول ،" مرحبًا ، نحتاج إلى المزيد من الحصص. كنا ندير وظائف تتألف من مليون معالج ".

كان المعالج الكمي الأفضل أداءً من Google يفعل شيئًا ليس له أوجه تشابه واضحة في الطبيعة. يكتب هارتنت أن "النمو الأسي المضاعف فريد جدًا بحيث يصعب العثور على أمثلة عنه في العالم الحقيقي. قد يكون معدل التقدم في الحوسبة الكمية هو الأول."

بدأ التسارع غير المسبوق لسرعات الحوسبة الكمومية التي حددها نيفين لأول مرة في تسميته قانون نيفين من قبل باحثي جوجل في إشارة غير دقيقة إلى قانون مور للحوسبة الكلاسيكية ، ولكن مع اختلاف. إنها من نوع ما ، ولكن ما يحدث في Google ليس مجرد عودة لقانون مور للعصر الكمومي ؛ يُظهر لنا قانون نيفين أننا قد نكون على وشك الانغماس في عالم غريب تمامًا في غضون بضعة أشهر فقط.

لماذا يستمر قانون مور في العمل حتى بعد زواله

على مدار العقد الماضي ، كان علماء ومهندسو الكمبيوتر يتوقعون النهاية المفاجئة على ما يبدو للتقدم. قانون مور ، وهو مبدأ إرشادي تقريبي ينص على أنه يمكن تقليل حجم ترانزستور السيليكون بمقدار النصف تقريبًا كل عامين ، أصبح ميتًا وظيفيًا منذ عقد الإيجار منذ عامين.

ومع ذلك ، فبينما كان على قيد الحياة ، كان قادرًا على حشر المزيد والمزيد من الترانزستورات على رقائق بأحجام مختلفة ، وتمكين الحواسيب المركزية أولاً ، ثم الخوادم ، ثم أجهزة الكمبيوتر الشخصية ، والآن الأجهزة المحمولة. كل عامين ، لم يكن كل جهاز جديد مجرد تحسين ؛ ستكون هناك تغييرات تكنولوجية ثورية بمعدل مرتين أو ثلاث مرات في عقد واحد.

مضاعفة قوة المعالجة في كل جيل من شرائح الكمبيوتر كل عامين ونتيجة لهذا المعدل من النمو هي القفزة التي تم تحقيقها من خلال الانتقال من أجهزة الكمبيوتر المثقبة التي تحسب مسارات رحلة رواد فضاء أبولو المتجهين إلى القمر حتى ولادة ونضج الإنترنت ، أجهزة الكمبيوتر السريعة في جيوبنا ، والشبكات العصبية التي يمكنها تشغيل البنية التحتية للخدمة المدنية بالكامل في المدن في الصين في أقل من 50 عامًا.

كانت القفزة التكنولوجية التي حققتها البشرية باستخدام ترانزستور السيليكون أعظم ابتكار في تاريخ البشرية. لم يتغير أي اكتشاف أو اختراع آخر ، ولا حتى النار ، كثيرًا وبسرعة كبيرة في تجربتنا البشرية - وقد عرفنا منذ عقد على الأقل أن وتيرة التغيير هذه لا يمكن أن تستمر إلى الأبد. نظرًا لتقليص طول الترانزستورات إلى سبعة نانومتر فقط ، يقاتل المهندسون للحفاظ على تدفق الشحنة الكهربائية في القنوات التي تكون جدرانها سميكة الذرات فقط.

اجعل الترانزستور أصغر ، والتيار الكهربائي الذي يدعم حسابات المعالج ومنطقه يقفز ببساطة القناة أو يتسرب من المكون بعد أن تتعطل الذرات المخصصة لاحتواء تدفق الإلكترونات بمرور الوقت.

مع بدء المزيد من الترانزستورات في الانهيار وتسريب إلكتروناتها إلى مكونات أخرى ، تتآكل أيضًا بشكل أسرع وتتعرض لمعدلات خطأ أعلى ، مما يثبط أداء المعالج ككل حتى يصبح الأمر برمته عبارة عن غربال متسرب من الإلكترونات عديم الفائدة.

نظرًا لأن المهندسين لا يمكنهم تثبيت مكونات المعالج إذا أصبحت أصغر حجمًا ، فقد وصلت شريحة السيليكون إلى حدها المادي - مما وضع حدًا لقانون مور ومعه توقع أن تكون أجهزة الكمبيوتر بعد عامين من الآن أسرع مرتين مما هي عليه اليوم.

لا نحب هذا على الإطلاق ، على أقل تقدير. يمكننا أن نرى الإمكانات التكنولوجية تصل ذروتها في الأفق ؛ أن نقترب كثيرًا وأن نكون مقيدين بالقوانين الفيزيائية هو نوع الشيء الذي دفعنا أولاً إلى الابتكار في المقام الأول.

إذن ماذا تفعل إذا لم تتمكن من صنع جهاز كمبيوتر أسرع باستخدام المقاييس الذرية؟ اتخذ العلماء والمهندسون الخطوة التالية حتمًا وبحثوا عن شيء أصغر من الذرة للحصول على إجابة لميكانيكا الكم.

عالم الكم

ومع ذلك ، فإن عالم الكم ليس مثل العالم الكلاسيكي على الإطلاق. تتصرف الجسيمات دون الذرية الغريبة بطرق يصعب قبولها. يمكنهم التفجير من خلال القوانين التأسيسية للفيزياء دون فقدان أي خطوة ، كما يفعل التشابك الكمي عندما تتواصل الجسيمات المقترنة مع بعضها البعض على الفور حتى لو كانت على طرفي نقيض من الكون.

اقترح شرودينجر نفسه ، أحد المكتشفين الرئيسيين لميكانيكا الكم ، تجربته الفكرية الشهيرة حول قطة في صندوق ما زال حيًا وميتًا في نفس الوقت لإظهار مدى العبث التام لنظرياته. لم يستطع تصديق أنه كان بالضبط كما ظهر.

بقدر ما كان الأمر مجنونًا ، فإن الحقيقة التي لا مفر منها هي أن قط شرودينجر هو بالفعل حي وميت في نفس الوقت وسيظل كذلك حتى يفتح أحد المراقبين الصندوق للتحقق منه ؛ هذه هي اللحظة التي يجب على الكون أن يقرر ، بطريقة عشوائية بحتة ، ما هي الحالة النهائية للقط في الواقع.

لم يتم إثبات تراكب قط شرودنغر في الممارسة فحسب ، بل إن تراكب الجسيمات هو أيضًا مصدر قوة الكمبيوتر الكمومي.

من خلال العمل على جسيم في حالة تراكب - يسمى أ بت الكمأو كيوبت- يمكن احتواء قدر أكبر من البيانات في الذاكرة الكمية بعدد وحدات بت أقل بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، والعمليات على أ كيوبت تنطبق على كل القيم الممكنة ذلك كيوبت يأخذ على. عندما هؤلاء كيوبت تقرن مع بعضها البعض كيوبت- يمكنه إجراء عمليات منطقية أكثر تعقيدًا إلى حد كبير في وقت أقل بشكل ملحوظ.

هذه القدرة على تحسين سرعة المعالجة بشكل كبير على المعالجات الكلاسيكية هي ما يدفع الكثير من الضجيج حول الحوسبة الكمومية في الوقت الحالي. إنها طريقتنا في الحفاظ على المعدل الحالي للتقدم مستمرًا ، ولم يعد يقتصر على حافة الماء بنهاية قانون مور.

كيف يتم ضمان الحوسبة الكمية لتحسين التكنولوجيا لدينا

إذن ما مدى قوة الحوسبة الكمية بالضبط إذن؟ إلى ماذا تترجم هذه السرعة بالقيمة الحقيقية؟ لفترة من الوقت ، كانت الإجابة لا شيء. كانت في الواقع فكرة سخيفة لم يأخذها أحد على محمل الجد.

تم اقتراحه بطرق مختلفة على مر السنين في الأوراق الأكاديمية منذ السبعينيات ، وظهر بين الحين والآخر ولكن لم يكن من المستحيل فقط تخيل مثل هذا النظام في الممارسة ؛ مثل هذه الآلة لن تخدم أي غرض حقيقي لتبرير حتى استثمار الأموال للتحقيق فيها. ثم ، في عام 1994 ، نشر عالم الرياضيات بيتر شور ورقة غيّرت كل شيء.

ابتكر شور خوارزمية تسببت في حل مشكلة حسابية مستعصية على الحل ، وهي أساس تشفير RSA الحديث ، وهي مشكلة التحليل الأولي للأعداد الصحيحة. إن التحليل الأولي لعدد صحيح طويل مكون من عدة آلاف من الأرقام ليس شيئًا يمكن للكمبيوتر الكلاسيكي فعله بكفاءة ، بغض النظر عن عدد المعالجات التي تستخدمها ؛ الخوارزميات الضرورية إما غير معروفة أو غير موجودة.

حتى عندما أصبحت أجهزة الكمبيوتر الحديثة أكثر قوة وتمكنت من استخدام قوة المعالجة الأولية لاختراق مفاتيح التشفير السابقة 256 بت ، و 512 بت ، وحتى مفاتيح تشفير ذات عدد بتات أعلى ، كل ما يحتاجه المرء هو مضاعفة عدد البتات المستخدم في مفتاح بمقدار اثنين وكان مخططك الجديد أقوى بشكل كبير جدًا من المخطط الذي تم كسره للتو.

لا يتحسن الكمبيوتر الكلاسيكي بشكل كبير في حل هذه المشكلات مع زيادة الأرقام المعنية. هذا القيد ، المعروف باسم تعقيد الوقت ، يضع في النهاية بعض الأشياء خارج قدرة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية على حلها حقًا. يمكن لإطالة مفاتيح تشفير RSA أن تبدأ بسرعة كبيرة في إضافة ملايين ومليارات وحتى تريليونات السنين إلى الوقت اللازم لكسر مفتاح التشفير باستخدام جهاز كمبيوتر كلاسيكي.

ما أظهره شور هو أن استخدام تراكب الكيوبت سيسمح لك بحل مشكلة العوامل بشكل أسرع. قد لا يزال الأمر يستغرق وقتًا طويلاً لكسر فتح أصعب تشفير RSA ، لكن مشكلة تريليون تريليون سنة تحولت إلى مشكلة مدتها سنتان إلى خمس سنوات مع كمبيوتر كمي - و فقط باستخدام كمبيوتر كمي.

إذا تم تطبيق قانون نيفين ، فستكون الحوسبة الكمية هنا في أقل من عام

لاحظ الناس أخيرًا بعد أن نشر شور ورقته البحثية وأدركوا أن هذا شيء مختلف تمامًا عن الحوسبة الكلاسيكية ، ومن المحتمل أن تكون أوامر الحجم أقوى.

بدأ الناس في رؤية الإمكانات ، ولكن في أكثر من 20 عامًا منذ ظهور خوارزمية شور لأول مرة ، ظل تشغيل تلك الخوارزمية وربما بعض الخوارزميات الكمومية الأخرى التي تم نشرها في السنوات التي تلت ذلك ، السبب الوحيد وراء حاجتنا إلى جهاز كمبيوتر كمي في البداية مكان. لقد قيل لنا إنه سيغير كل شيء ، وقد انتظرنا ، ويبدو أن القليل جدًا يحدث في الواقع.

حتى العديد من المتخصصين في علوم الكمبيوتر ، بما في ذلك الدكتوراة والمحاربون القدامى في الصناعة الذين يعرفون العلم الكامن وراء ذلك كله ، أعربوا عن شكوكهم في أن الحوسبة الكمومية ستحقق وعدًا لا يصدق في بعض الأحيان. ومع ذلك ، قد يتغير هذا ، بعد أن أعلن نيفين علنًا في مايو عن النمو المذهل لمعالجات جوجل الكمومية في ندوة الربيع الكمومية في جوجل وقدم للعالم "القانون" الذي يحمل اسمه.

وكشف أن ما كان يبحثه هو وبقية فريق الحوسبة الكمومية في Google هو النمو "الأسي المضاعف" لقوة الحوسبة الكمومية بالنسبة للحوسبة الكلاسيكية: "يبدو أنه لا شيء يحدث ، لا شيء يحدث ، ثم عفوًا ، فجأة "نحن في عالم مختلف". "هذا ما نشهده هنا".

ماذا يعني النمو الأسي المضاعف في الواقع؟

وفقًا لـ Neven ، هناك عاملان يجتمعان لإنتاج هذا المعدل المذهل للنمو الذي تراه Google في رقائق الكمبيوتر الكمومية.

الأول هو ببساطة الميزة الأسية الطبيعية التي تتمتع بها الحوسبة الكمومية على الكمبيوتر الكلاسيكي. حيث يمكن أن تكون البتات الكلاسيكية في حالة واحدة فقط في أي وقت ، 1 أو 0 ، كيوبت في التراكب هو كلاهما 1 و 0. هذا يعني أن الكيوبت يصبح أكثر كفاءة بشكل كبير من حيث تمثيل ومعالجة البيانات لكل كيوبت إضافي مضاف. لأي عدد معين من الكيوبتات ن في المعالج الكمي ، يقومون بنفس العمل أو يحتفظون بنفس كمية البيانات مثل 2ن بتات كلاسيكية. 2 كيوبت يساوي 4 بت, 4 كيوبت يساوي 16 بت, 16 كيوبت يساوي 65 ، 536 بت، وهلم جرا.

والثاني مرتبط بشكل مباشر بالتحسينات التي تجريها Google على معالجاتها الكمومية. وفقًا لـ Neven ، ترى Google أن أفضل معالجاتها الكمومية تتحسن بمعدل أسي ، وهو أمر شاهدته شركة IBM أيضًا مع نظام IBM Q واحد. يقول نيفين إن مجتمعةً ، ينتهي بك الأمر بمعدل مضاعف من النمو الأسي للحوسبة الكمومية مقارنة بالحوسبة الكلاسيكية.

كيف يبدو النمو الأسي المضاعف؟ من الواضح أن وظيفة النمو الأسي الكلاسيكية عند التعامل مع البتات تتضاعف ، وهي وظيفة محددة على أنها 2ن في الأنظمة الثنائية. كيف تضاعف المضاعفة؟ ببساطة استبدل ملف ن في وظيفة المضاعفة مع وظيفة مضاعفة أخرى ، أو 22ن.

نظرًا لأن قانون مور هو وظيفة مضاعفة ، يمكننا تمثيل قانون مور مثل هذا ، حيث ن يمثل فترة سنتين:

n قوة الحوسبة الكلاسيكية (2ن)
* 1 2

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

إذن ماذا يفعل قانون نيفين يبدو مثل؟ سيبدو مثل هذا ، أين ن يساوي كل تحسين جديد لمعالج Google الكمي:

ن 2ن 2(2ن) قوة الحوسبة الكمية المرتبطة بقوة الحوسبة الكلاسيكية

* 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

بعد القائمة أعلاه 6، تبدأ الأرقام في أن تصبح كبيرة جدًا ومجردة ، مما يؤدي إلى فقدان الإحساس بالفجوة بين مكان وجود Google وأين ستكون في الخطوة التالية.

في حالة قانون مور ، فقد بدأ في السبعينيات تتضاعف كل عام ، قبل أن تتم مراجعتها حتى كل عامين تقريبًا. وفقًا لـ Neven ، تعمل Google بشكل كبير على زيادة قوة معالجاتها على نطاق على أساس شهري إلى نصف شهري. إذا ديسمبر 2018 هل 1 في هذه القائمة ، عندما بدأ نيفن حساباته لأول مرة ، كنا بالفعل بين 5 و 7.

في ديسمبر 2019، ستة أشهر فقط من الآن ، قد تكون قوة معالج الحوسبة الكمومية من Google في أي مكان 24096 مرات ل 28192 أقوى مما كانت عليه في بداية العام. وفقًا لإخبار نيفين ، بحلول فبراير - فقط ثلاثة أشهر بعد أن بدأوا اختباراتهم ، لذلك 3 في قائمتنا-- ، كانت هناكلم تعد أي أجهزة كمبيوتر كلاسيكية في المبنى الذي يمكن أن يعيد إنشاء نتائج حسابات الكمبيوتر الكمومية من Google ، والتي كان الكمبيوتر المحمول يقوم بها للتو شهرين سابقا.

قال نيفين أنه نتيجة لذلك ، تستعد Google للوصول التفوق الكمومي- النقطة التي تبدأ فيها أجهزة الكمبيوتر الكمومية في التفوق على أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي تحاكي الخوارزميات الكمومية - في مجرد مسألة الشهور، ليس سنوات: "غالبًا ما نقول إننا نعتقد أننا سنحقق ذلك في عام 2019. الكتابة على الحائط."

الشك له ما يبرره ، إلى حد ما

من المهم التأكيد على أن هذا النمو في القوة يتعلق بقوة الكمبيوتر الكلاسيكي ، وليس مقياسًا مطلقًا ، وأن نقطة البداية للحوسبة الكمية منذ وقت ليس ببعيد يمكن مقارنتها مع يونيفاك أجهزة الكمبيوتر ذات الأنبوب المفرغ من عصر الأربعينيات و الخمسينيات.

لا يزال الكثير من علوم الكمبيوتر النظرية الأساسية للحوسبة الكمومية قيد الكتابة والمناقشة ، وهناك من تساوره الشكوك حول ما إذا كان النمو "الأسي المضاعف" بالنسبة للحوسبة الكلاسيكية يحدث بالفعل.

بعد كل شيء ، قد يتم تنفيذ قانون مور من أجل ، لكن الحوسبة الكلاسيكية لم تمت ، فهي مستمرة في التحسن حتى يومنا هذا وستستمر في ذلك مع تطوير خوارزميات جديدة تعمل على تحسين كفاءة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

ومع ذلك ، يقول آخرون إنه لا يكفي التقليل من أهمية التقدم السريع الذي تطالب به Google أو الاعتراض عليه فيما يتعلق بمعالجاتها الكمومية. قد تكون شركة IBM أكثر تواضعا في توقعاتها حول السيادة الكمية ، لكنهم واثقون من قدرتهم على تحقيق ذلك في غضون ثلاث سنوات تقريبًا. قبل خمس سنوات ، اعتقد الكثيرون أننا لن نرى الكمبيوتر الكمي حتى عام 2025 أو حتى أواخر عام 2030 وما بعده.

الآن ، يبدو أننا قد نرى الصفقة الحقيقية بحلول عيد الميلاد ، ولا يوجد سبب للاعتقاد بأن قوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية لن تستمر في الزيادة أكثر بمجرد تحقيق Google أو IBM أو حتى شخص آخر. التفوق الكمومي.


شاهد الفيديو: Quantum Computing الحوسبة الكمية (سبتمبر 2021).