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Der Quantenprozessor von Google kann in Monaten die Quantenüberlegenheit erreichen

Der Quantenprozessor von Google kann in Monaten die Quantenüberlegenheit erreichen

Während ich vor einigen Monaten sagte, dass wir einen Weg finden würden, Moores Gesetz zurückzubringen, hatte ich nicht erwartet, dass es so sinken würde. In einem neuen Bericht in Quanta Magazine von Kevin Hartnett, Hartmut Neven, Direktor des Quantum Artificial Intelligence Lab von Google, zeigt, dass das Leistungswachstum mit jeder neuen Verbesserung des besten Quantenprozessors von Google anders ist als alles, was in der Natur zu finden ist. Es wächst nicht nur exponentiell, wie in Moores Gesetz, sondern auch mit einer doppelt exponentielle Rate, Das heißt, wir sind möglicherweise nur noch wenige Monate vom Beginn der praktischen Ära des Quantencomputers entfernt.

Hartmut Neven von Google fordert uns auf, uns fertig zu machen

Hartnetts Stück sollte ein wichtiger Weckruf für die Welt sein. Während wir uns auf den Weg gemacht haben und dachten, dass morgen mehr oder weniger wie heute sein würde, scheint in den Quantum AI-Labors von Google in Santa Barbara, Kalifornien, etwas Außergewöhnliches zu geschehen. Im Dezember 2018 begannen Neven und sein Team mit der Berechnung des besten Quantenprozessors des Unternehmens, als sie etwas Unglaubliches sahen.

VERBINDUNG: KEINE TRANSISTOREN MEHR: DAS ENDE VON MOORES GESETZ

"Sie konnten die Berechnung des [Quantenprozessors] mit einem normalen Laptop reproduzieren", schreibt Hartnett. "Im Januar führten sie denselben Test mit einer verbesserten Version des Quantenchips durch. Diesmal mussten sie einen leistungsstarken Desktop-Computer verwenden, um das Ergebnis zu simulieren. Bis Februar gab es im Gebäude keine klassischen Computer mehr, die simulieren konnten Die Forscher mussten dafür Zeit im riesigen Servernetzwerk von Google anfordern.

"Irgendwann im Februar musste ich anrufen, um zu sagen:" Hey, wir brauchen mehr Quote ", sagte Nevens zu Hartnett." Wir hatten Jobs mit einer Million Prozessoren. "

Googles leistungsstärkster Quantenprozessor hat etwas getan, das keine offensichtlichen Parallelen aufweist. "Das doppelt exponentielle Wachstum", schreibt Hartnett, "ist so einzigartig, dass es in der realen Welt schwierig ist, Beispiele dafür zu finden. Die Fortschrittsrate beim Quantencomputing könnte die erste sein."

Die beispiellose Beschleunigung der Quantencomputergeschwindigkeiten, die Neven erstmals identifizierte, wurde von Google-Forschern in einem nicht so subtilen Verweis auf das Moore'sche Gesetz des klassischen Computing als Neven'sches Gesetz bezeichnet, jedoch mit einem Unterschied. Sie sind von einer Art, aber was bei Google passiert, ist nicht einfach die Rückkehr von Moores Gesetz für die Quantenära; Das Gesetz von Neven zeigt uns, dass wir in nur wenigen Monaten in eine völlig fremde Welt eintauchen werden.

Warum Moores Gesetz auch nach seinem Untergang weiterhin von Bedeutung ist

In den letzten zehn Jahren haben Informatiker und Ingenieure das scheinbar abrupte Ende des Fortschritts erwartet. Das Mooresche Gesetz, eine grobe Richtlinie, die besagt, dass ein Siliziumtransistor etwa alle zwei Jahre um etwa die Hälfte verkleinert werden kann, ist seit einigen Jahren funktionsunfähig.

Während es lebte, war es jedoch in der Lage, immer mehr Transistoren auf Chips unterschiedlicher Größe zu packen, wobei zuerst Mainframes, dann Server, dann PCs und jetzt mobile Geräte aktiviert wurden. Alle paar Jahre war jedes neue Gerät nicht nur eine Verbesserung. In einem Jahrzehnt würde es zwei- oder dreimal revolutionäre technologische Veränderungen geben.

Die Verdoppelung der Verarbeitungsleistung in jeder Generation von Computerchips alle zwei Jahre und die Folge dieser Wachstumsrate ist der Sprung von Lochkartencomputern, die die Flugwege von Apollo-Astronauten berechnen, die zum Mond fahren, bis zur Geburt und Reifung der Internet, blitzschnelle Computer in unseren Taschen und neuronale Netze, die in weniger als 50 Jahren die gesamte Infrastruktur des öffentlichen Dienstes von Städten in China betreiben können.

Der mit dem Siliziumtransistor gemachte Technologiesprung der Menschheit war die größte Innovation in der Geschichte der Menschheit. Keine andere Entdeckung oder Erfindung, nicht einmal Feuer, hat sich in unserer menschlichen Erfahrung so schnell verändert - und wir wissen seit mindestens einem Jahrzehnt, dass dieses Tempo des Wandels nicht für immer andauern kann. Da die Transistoren auf nur sieben Nanometer reduziert sind, kämpfen die Ingenieure darum, dass eine elektrische Ladung in Kanälen fließt, deren Wände nur Atome dick sind.

Wenn Sie den Transistor kleiner machen, springt der elektrische Strom, der die Berechnungen und die Logik des Prozessors antreibt, einfach über den Kanal oder tritt aus der Komponente aus, nachdem Atome, die den Elektronenfluss enthalten sollen, im Laufe der Zeit unterbrochen werden.

Wenn mehr Transistoren ausfallen und ihre Elektronen in andere Komponenten lecken, nutzen sich auch diese schneller ab und weisen höhere Fehlerraten auf, wodurch die Leistung des gesamten Prozessors beeinträchtigt wird, bis das Ganze zu einem nutzlosen, undichten Elektronensieb wird.

Da Ingenieure die Komponenten des Prozessors nicht stabilisieren können, wenn sie kleiner werden, hat der Siliziumchip seine physikalische Grenze erreicht - ein Ende des Moore'schen Gesetzes und damit die Erwartung, dass Computer in zwei Jahren doppelt so schnell sein werden wie sie sind heute.

Das gefällt uns überhaupt nicht, um es gelinde auszudrücken. Wir können sehen, dass das technologische Potenzial am Horizont seinen Höhepunkt erreicht. so nahe zu kommen und sich von physikalischen Gesetzen zurückhalten zu lassen, ist die Art von Dingen, die uns zuerst zu Innovationen getrieben haben.

Was machen Sie also, wenn Sie mit atomaren Skalen keinen schnelleren Computer herstellen können? Wissenschaftler und Ingenieure machten unweigerlich den nächsten Schritt und suchten nach etwas Kleinerem als dem Atom als Antwort auf die Quantenmechanik.

Die Quantenwelt

Die Quantenwelt ist jedoch überhaupt nicht wie die klassische Welt. Exotische subatomare Teilchen verhalten sich schwer zu akzeptieren. Sie können durch grundlegende Gesetze der Physik blasen, ohne einen Schritt zu verpassen, wie dies bei der Quantenverschränkung der Fall ist, wenn gepaarte Teilchen sofort miteinander kommunizieren, selbst wenn sie sich auf entgegengesetzten Seiten des Universums befinden.

Schrödinger selbst, einer der wichtigsten Entdecker der Quantenmechanik, schlug sein berühmtes Gedankenexperiment über eine Katze in einer Kiste vor, die gleichzeitig lebendig und tot ist, um zu demonstrieren, wie absurd seine Theorien wurden. Er konnte nicht glauben, dass es genau so war, wie es schien.

So verrückt es auch war, die unvermeidliche Tatsache ist, dass Schrödingers Katze tatsächlich gleichzeitig lebendig und tot ist und dies auch bleiben wird, bis ein Beobachter die Schachtel öffnet, um sie zu überprüfen. Dies ist der Moment, in dem das Universum auf rein zufällige Weise entscheiden muss, wie der endgültige Zustand der Katze tatsächlich ist.

Diese Überlagerung von Schrödingers Katze hat sich nicht nur in der Praxis bewährt, sondern durch die Überlagerung von Partikeln kommt auch die Leistung eines Quantencomputers.

Durch Arbeiten an einem Teilchen in Überlagerung - genannt a Quantenbit, oder Qubit- Im Quantenspeicher können mit weitaus weniger Bits als bei klassischen Computern und bei Operationen auf a erheblich mehr Daten enthalten sein Qubit gelten alle möglichen Werte Das Qubit annimmt. Wenn diese Qubits sind mit anderen voneinander abhängigen gepaart Qubits--kann wesentlich wesentlich kompliziertere Logikoperationen in deutlich kürzerer Zeit ausführen.

Dieses Potenzial für eine drastisch verbesserte Verarbeitungsgeschwindigkeit gegenüber klassischen Prozessoren treibt derzeit den Hype um Quantencomputer an. Auf diese Weise können wir die derzeitige Fortschrittsrate aufrechterhalten und sind bis zum Ende von Moores Gesetz nicht mehr auf den Rand des Wassers beschränkt.

Wie Quantum Computing unsere Technologie garantiert auf den neuesten Stand bringt

Wie leistungsfähig ist Quantencomputing genau dann? Was bedeutet diese Geschwindigkeit real? Für eine Weile war die Antwort nichts. Es war eigentlich eine lächerliche Idee, die niemand wirklich ernst nahm.

Im Laufe der Jahre in wissenschaftlichen Arbeiten seit den 1970er Jahren auf verschiedene Weise vorgeschlagen, tauchte es immer wieder auf, aber es war nicht nur unmöglich, sich ein solches System in der Praxis vorzustellen. Eine solche Maschine würde keinen wirklichen Zweck erfüllen, um zu rechtfertigen, dass sogar Geld investiert wird, um sie zu untersuchen. Dann, 1994, veröffentlichte der Mathematiker Peter Shor eine Arbeit, die alles veränderte.

Shor entwickelte einen Algorithmus, der ein brutal unlösbares mathematisches Problem aufbrach, das die Grundlage für die moderne RSA-Kryptographie bildet, das Problem der Primfaktorisierung von ganzen Zahlen. Die Primfaktorisierung einer mehrtausendstelligen Ganzzahl ist einfach nichts, was ein klassischer Computer effizient ausführen kann, egal wie viele Prozessoren Sie darauf werfen. Die erforderlichen Algorithmen sind entweder nicht bekannt oder existieren nicht.

Selbst als moderne Computer leistungsfähiger wurden und in der Lage waren, mit roher Verarbeitungsleistung frühere Verschlüsselungsschlüssel mit 256 Bit, 512 Bit und noch höherer Bitanzahl zu knacken, müssten Sie lediglich die für Sie verwendete Bitanzahl multiplizieren Schlüssel um zwei und Ihr neues Schema war buchstäblich exponentiell stärker als das, das gerade geknackt wurde.

Ein klassischer Computer kann diese Probleme mit zunehmender Anzahl nicht exponentiell besser lösen. Diese Einschränkung, die als Zeitkomplexität bekannt ist, führt schließlich dazu, dass einige Dinge, die über die Kapazität klassischer Computer hinausgehen, jemals wirklich gelöst werden können. Durch die Verlängerung von RSA-Verschlüsselungsschlüsseln kann die Zeit, die zum Knacken des Verschlüsselungsschlüssels mit einem klassischen Computer benötigt wird, sehr schnell um Millionen, Milliarden und sogar Billionen von Jahren verlängert werden.

Was Shor zeigte, war, dass Sie durch die Überlagerung von Qubits das Faktorisierungsproblem erheblich schneller lösen können. Es mag noch lange dauern, bis die härteste RSA-Verschlüsselung aufgebrochen ist, aber ein Billionen-Billionen-Jahr-Problem wurde mit einem Quantencomputer zu einem 2- bis 5-Jahres-Problem gemacht - und nur mit einem Quantencomputer.

Wenn das Gesetz von Neven in Kraft tritt, wird Quantum Computing in weniger als einem Jahr hier sein

Die Leute bemerkten es schließlich, nachdem Shor seine Arbeit veröffentlicht hatte und erkannten, dass dies etwas völlig anderes als klassisches Computing war und möglicherweise um Größenordnungen leistungsfähiger.

Die Leute begannen, das Potenzial zu erkennen, aber in den mehr als 20 Jahren seit dem Erscheinen von Shors Algorithmus blieb die Ausführung dieses Algorithmus und vielleicht einiger anderer Quantenalgorithmen, die in den letzten Jahren veröffentlicht wurden, der einzige Grund, warum wir überhaupt einen Quantencomputer benötigen würden Platz. Uns wurde gesagt, dass es alles ändern wird, und wir haben gewartet, da in der Realität sehr, sehr wenig zu geschehen scheint.

Sogar viele Informatiker, darunter Doktoranden und Branchenveteranen, die die Wissenschaft dahinter kennen, haben ihre Skepsis geäußert, dass Quantencomputer ihr manchmal unglaubliches Versprechen erfüllen werden. Dies kann sich jedoch ändern, nachdem Neven im Mai auf dem Quantum Spring Symposium von Google über das unglaubliche Wachstum der Quantenprozessoren von Google an die Öffentlichkeit gegangen ist und der Welt das "Gesetz" vorgestellt hat, das seinen Namen trägt.

Er enthüllte, dass er und der Rest des Quantencomputerteams von Google das "doppelt exponentielle" Wachstum der Quantencomputerleistung im Vergleich zum klassischen Computing betrachteten: "Es sieht so aus, als ob nichts passiert, nichts passiert, und dann hoppla, plötzlich Sie Ich bin in einer anderen Welt ", sagte er. "Das erleben wir hier."

Was bedeutet doppelt exponentielles Wachstum eigentlich?

Laut Neven gibt es zwei Faktoren, die zusammen diese unglaubliche Wachstumsrate erzeugen, die Google in seinen Quantencomputerchips sieht.

Der erste ist einfach der natürliche exponentielle Vorteil, den Quantencomputer gegenüber einem klassischen Computer haben. Wenn klassische Bits zu einem bestimmten Zeitpunkt nur in einem Zustand sein können, 1 oder 0, ein Qubit in Überlagerung ist beide 1 und Dies bedeutet, dass ein Qubit hinsichtlich der Darstellung und Verarbeitung von Daten für jedes zusätzliche hinzugefügte Qubit exponentiell effizienter wird. Für eine bestimmte Anzahl von Qubits n In einem Quantenprozessor erledigen sie die gleiche Arbeit oder enthalten die gleiche Datenmenge wie 2n klassische Bits. 2 Qubits gleich 4 Bits, 4 Qubits gleich 16 Bit, 16 Qubits gleich 65, 536 Bit, und so weiter.

Die zweite bezieht sich direkter auf die Verbesserungen, die Google an seinen Quantenprozessoren vornimmt. Laut Neven verbessern sich die besten Quantenprozessoren von Google exponentiell, was IBM auch bei IBM gesehen hat IBM Q System One. Zusammengenommen, sagt Neven, ergibt sich eine doppelt exponentielle Wachstumsrate des Quantencomputers im Vergleich zum klassischen Computing.

Wie sieht doppelt exponentielles Wachstum aus? Die klassische exponentielle Wachstumsfunktion beim Umgang mit Bits verdoppelt sich offensichtlich, eine Funktion, die definiert ist als 2n in binären Systemen. Wie verdoppelt man sich? Einfach austauschen n in der Verdopplungsfunktion mit einer anderen Verdopplungsfunktion oder 22n.

Da Moores Gesetz eine Verdopplungsfunktion ist, können wir Moores Gesetz so darstellen, wo n stellt ein Zweijahresintervall dar:

n Klassische Rechenleistung (2n)
* 1 2

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

Also was macht Nevens Gesetz aussehen wie? Es würde ungefähr so ​​aussehen, wo n entspricht jeder neuen Verbesserung des Quantenprozessors von Google:

n 2n 2(2n) Quanten-Rechenleistung im Verhältnis zur klassischen Rechenleistung

* 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

Nachdem die Liste oben geht 6Wenn die Zahlen so groß und abstrahiert werden, verlieren Sie das Gefühl der Kluft zwischen dem Standort von Google und dem Standort im nächsten Schritt.

Im Fall von Moores Gesetz begann es in der 1970er Jahre jedes Jahr verdoppeln, bevor es etwa alle zwei Jahre überarbeitet wird. Laut Neven erhöht Google die Leistung seiner Prozessoren auf a exponentiell monatlich bis halbmonatlich. Wenn Dezember 2018 ist der 1 Auf dieser Liste, als Neven zum ersten Mal mit seinen Berechnungen begann, sind wir schon dazwischen 5 und 7.

Im Dezember 2019, In nur sechs Monaten könnte die Leistung des Quantencomputerprozessors von Google irgendwo anders liegen 24096 mal zu 28192 mal so mächtig wie zu Jahresbeginn. Laut Nevens Aussage nur bis Februar drei Monate nachdem sie ihre Tests begonnen hatten, so 3 auf unserer Liste--, dort gab eskeine klassischen Computer mehr in dem Gebäude, das die Ergebnisse der Berechnungen des Quantencomputers von Google nachbilden konnte, die ein Laptop gerade durchgeführt hatte zwei Monate vorhin.

Neven sagte, dass sich Google daraufhin darauf vorbereitet, zu erreichen Quantenüberlegenheit- der Punkt, an dem Quantencomputer beginnen, Supercomputer zu übertreffen, die Quantenalgorithmen simulieren - in nur einer Frage von Monatenicht Jahre: „Wir sagen oft, dass wir glauben, dass wir es 2019 erreichen werden. Die Schrift steht an der Wand.“

Skepsis ist bis zu einem gewissen Punkt gerechtfertigt

Es ist wichtig zu betonen, dass dieses Leistungswachstum relativ zur Leistung eines klassischen Computers ist, kein absolutes Maß, und dass der Ausgangspunkt für Quantencomputer vor nicht allzu langer Zeit mit dem vergleichbar wäre UNIVAC Vakuumröhren-Computer aus der 1940er Jahre und 1950er Jahre.

Ein Großteil der theoretischen Kerninformatik des Quantencomputers wird noch geschrieben und diskutiert, und es gibt diejenigen, die Zweifel daran haben, ob tatsächlich ein "doppelt exponentielles" Wachstum im Vergleich zum klassischen Computing stattfindet.

Immerhin mag das Mooresche Gesetz getan werden, aber das klassische Rechnen ist nicht tot, es verbessert sich bis heute weiter und wird dies auch weiterhin tun, wenn neue Algorithmen entwickelt werden, die die Effizienz klassischer Computer verbessern.

Andere sagen jedoch, dass es nicht ausreicht, nur die schnellen Fortschritte, die Google für seine Quantenprozessoren behauptet, herunterzuspielen oder zu bestreiten. IBM mag in seinen Vorhersagen über die Quantenüberlegenheit bescheidener sein, aber sie sind zuversichtlich, dass sie dies in etwa drei Jahren erreichen können. Vor fünf Jahren dachten viele, wir würden einen Quantencomputer erst 2025 oder sogar erst 2030 und darüber hinaus sehen.

Nun sieht es so aus, als würden wir bis Weihnachten sogar das echte Geschäft sehen, und es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass die Leistung von Quantencomputern nicht weiter zunehmen wird, wenn entweder Google oder IBM oder sogar jemand anderes die Wahrheit erreicht Quantenüberlegenheit.


Schau das Video: Wie Quantencomputer die Welt verändern könnten (Dezember 2021).