Escenaris de computació quàntica: el cas dels models de computació híbrida


(© Alexander Supertramp – Shutterstock)

La majoria del que escolteu sobre els ordinadors quàntics se centra en la seva naturalesa quàntica i en el seu potencial per resoldre problemes irresolubles. La teoria quàntica juga molt en aquestes discussions amb temes com ara:

  • Superposició – S’utilitza per representar diversos estats (diversos valors numèrics) simultàniament d’una manera similar.
  • Enredament quàntic – permet que els qubits, que es comporten de manera aleatòria, estiguin perfectament correlacionats entre si.
  • Biaix d’interferència – la mesura d’un qubit cap a un estat o conjunt d’estats desitjat.
  • Coherència/decoherència – un procés en el qual l’entorn interactua amb els qubits, canviant de manera incontrolada els seus estats quàntics i fent que es perdi la informació emmagatzemada per l’ordinador quàntic.

Hi ha dotzenes d’altres propietats, però prenem un moment, sense nedar en la física quàntica, per descriure l’aspecte més bàsic i fonamental de la computació quàntica: els dispositius quàntics (qubits) poden tenir una combinació d’estats 0 i 1 alhora. .

A més, un qubit es pot “enredar” amb els altres qubits de manera que el comportament d’un qubit pot influir en el comportament de molts. Gràcies a aquestes característiques úniques, afegir més qubits produeix a efecte xarxa que ràpidament dóna als dispositius quàntics més potència de càlcul que les seves alternatives clàssiques.

Un altre aspecte únic és que, com que estem tan enamorats dels conjunts de dades massius, el quàntic és un cable per extreure inferència a partir de conjunts de dades relativament petits perquè pot analitzar les dades a partir d’una multitud de percepcions simultàniament. No totes les aplicacions ML/AI tenen el luxe de grans conjunts de dades.

Comprensió de la informàtica quàntica: escenaris d’IBM

Un aspecte de la superposició i l’entrellat és la sorprenent velocitat que poden mostrar els ordinadors quàntics amb certs problemes. Un exemple d’això, d’IBMmostra l’efecte de xarxa i l’acceleració exponencial del processament per a un problema senzill:

Imagineu que voleu asseure a 10 persones exigents en un sopar, on només hi ha un pla de seients òptim de totes les diferents combinacions possibles. Quantes combinacions diferents hauríeu d’explorar per trobar l’òptima?

La resposta: 2 persones = 2 combinacions; 5 persones = 120 combinacions; 10 persones = 3.628.800 combinacions. Òbviament, els problemes reals d’optimització poden donar lloc fàcilment a bilions de combinacions i fins i tot els superordinadors més potents no podrien completar el problema. L’ordinador quàntic pot resoldre això en un ritme de cor.

Un altre exemple d’IBM:

Cerca de Grover: suposem que necessiteu trobar un element d’una llista de N elements. En un ordinador clàssic hauríeu de comprovar N/2 elements de mitjana i, en el pitjor dels casos, hauríeu de comprovar tots els N.

Utilitzant la cerca de Grover en un ordinador quàntic, trobareu l’element després de comprovar aproximadament l’arrel quadrada N. Per trobar un element en una llista d’1 bilió, i cada element va trigar 1 microsegon a comprovar:

Ordinador clàssic: aproximadament 1 setmana

Ordinador quàntic: aproximadament 1 segon

Però si us acosteu a un ordinador quàntic, podríeu pensar: “Com ho treballo?” De fet, un ordinador quàntic no és realment un ordinador. Segons el doctor Itamar Sivan, director general de Quantum Machines, Informàtica quàntica, progrés i perspectives:

Tot i que els informes de la premsa popular tendeixen a centrar-se en el desenvolupament de qubits i el nombre de qubits en el xip de computació quàntica actual, qualsevol ordinador quàntic requereix un enfocament de maquinari integrat que utilitzi un maquinari convencional important per permetre controlar, programar i llegir qubits. fora

Necessita molta ajuda d’un entorn que l’envolta, inclosos els ordinadors convencionals. Un ordinador quàntic necessita tres elements per funcionar: un ordinador quàntic i una plataforma d’orquestració de maquinari (convencional) i programari. No hi ha programari en un ordinador quàntic. La plataforma gestiona el progrés del seu algorisme a través, principalment, de polsos de raig làser. La lògica necessària per fer funcionar l’ordinador quàntic resideix i està controlada per la plataforma d’orquestració.

Els ordinadors “clàssics” existents són, després de moltes dècades, excel·lents per realitzar una gran varietat de tasques. D’altra banda, hi ha relativament poques tasques en què els ordinadors quàntics poden excel·lir, tot i que quan ho fan, els resultats són espectaculars: “exponencials”. Però en qualsevol aplicació quàntica, les tasques de dades, davant i darrere, requereixen processament per ordinadors clàssics, com ara netejar i formatar dades i presentar els resultats generats per a la presa de decisions. Tot això forma part de l'”orquestració” de la informàtica quàntica.

L’orquestració hauria de permetre canviar d’un a un altre en una sola línia i donar suport a la possibilitat de canviar l’optimitzador utilitzat en un algorisme quàntic variacional per comparar el rendiment, sense escriure codi addicional. A més, això hauria de permetre combinar el codi font de diversos marcs i biblioteques, eliminant el treball pesat de crear nous entorns i alliberar temps per centrar-se en executar experiments reals.

Un altre aspecte de l’orquestració són els “models” o algorismes que els enginyers quàntics escriuen perquè els executin els ordinadors quàntics. Ja hi ha eines sense codi/codi baix per escriure algorismes. Fa només uns anys, es necessitava un doctorat en Física per escriure a un nivell baix, i era diferent per a cada màquina.. El ràpid desenvolupament d’eines per a l’orquestració en els últims anys permet al desenvolupador utilitzar simplement un grapat d’API per generar el codi.

Arthur Strauss analitza algorismes híbrids clàssic-quànticsconsiderats avui com els millors candidats per demostrar l’avantatge quàntic en un futur molt proper:

De fet, aquests algorismes estan dissenyats específicament per fer front a les limitacions inherents a la realitat física del maquinari actual (per exemple, temps de coherència, problemes de connectivitat, errors de la porta) alhora que permeten la possibilitat de resoldre problemes computacionals concrets (per exemple, optimització combinatòria, simulacions químiques, màquina). tasques d’aprenentatge, etc.). En algoris híbrids, els recursos quàntics s’aprofiten per calcular petites subrutines en un algorisme clàssic més ampli. En poques paraules, l’enunciat d’aquest tipus d’algorisme és el següent:

Sabem que l’ordinador quàntic no és bo per calcular-ho tot, així que centrem el seu ús en una subtassca prou petita on esperem que ens doni un resultat interessant. Aquest resultat es pot processar en un ordinador clàssic per resoldre el nostre problema d’entrada.

La meva presa

Des d’una perspectiva purament pràctica, un enfocament híbrid és la manera més eficient, rendible i productiva d’apropar-se al quàntic. Recolzar-se en dispositius clàssics per dur a terme aquelles tasques del procés de computació quàntica per a les quals s’adapten millor i per a les quals s’han optimitzat durant els darrers cinquanta anys, no només és el camí correcte, és l’únic millor camí.

La raó d’això és que, com hem argumentat, els dispositius quàntics i els dispositius clàssics no només resolen els problemes de manera diferent; resolen diferents problemes. Aquest és el cas avui, ja que d’aquí cinc i deu anys.

És per això que és una mica equivocat dir que “la computació quàntica farà això o allò”. El fet és que la veritable revolució estarà impulsada pel poder combinat del clàssic i el quàntic, en solucions híbrides cada cop més potents.