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Il processore quantistico di Google può raggiungere la supremazia quantistica in mesi

Il processore quantistico di Google può raggiungere la supremazia quantistica in mesi


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Anche se diversi mesi fa ho detto che avremmo trovato un modo per riportare indietro la Legge di Moore, non mi aspettavo che andasse giù in questo modo. In un nuovo rapporto in Quanta Magazine di Kevin Hartnett, Hartmut Neven, il direttore del Quantum Artificial Intelligence Lab di Google, rivela che la crescita di potenza con ogni nuovo miglioramento del miglior processore quantistico di Google è diversa da qualsiasi cosa si trovi in ​​natura. Sta crescendo non solo a un ritmo esponenziale, come nella Legge di Moore, ma a tasso doppiamente esponenziale, il che significa che potremmo essere a pochi mesi dall'inizio dell'era dell'informatica quantistica pratica.

Hartmut Neven di Google ci sta dicendo di prepararci

Il pezzo di Hartnett dovrebbe essere un importante campanello d'allarme per il mondo. Mentre arrancavamo, pensando che il domani sarebbe stato più o meno come oggi, sembra che qualcosa di straordinario stia accadendo nei laboratori Quantum AI di Google a Santa Barbara, in California. Nel dicembre 2018, Neven e il suo team hanno iniziato a eseguire un calcolo sul miglior processore quantistico dell'azienda quando hanno iniziato a vedere qualcosa di incredibile.

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"Sono stati in grado di riprodurre i calcoli [del processore quantistico] utilizzando un normale laptop", scrive Hartnett. "Poi, a gennaio, hanno eseguito lo stesso test su una versione migliorata del chip quantistico. Questa volta hanno dovuto utilizzare un potente computer desktop per simulare il risultato. A febbraio, non c'erano più computer classici nell'edificio in grado di simulare le loro controparti quantistiche.I ricercatori hanno dovuto richiedere del tempo sull'enorme rete di server di Google per farlo.

"Da qualche parte a febbraio ho dovuto chiamare per dire: 'Ehi, abbiamo bisogno di più quote'", ha detto Nevens a Hartnett. "Stavamo eseguendo lavori composti da un milione di processori".

Il processore quantistico più performante di Google stava facendo qualcosa che non ha evidenti paralleli in natura. "La crescita doppiamente esponenziale", scrive Hartnett, "è così singolare che è difficile trovarne esempi nel mondo reale. Il tasso di progresso nell'informatica quantistica potrebbe essere il primo".

L'impareggiabile accelerazione delle velocità di calcolo quantistico identificato da Neven ha iniziato a essere chiamata legge di Neven dai ricercatori di Google in un riferimento non così sottile alla legge di Moore dell'informatica classica, ma con una differenza. Sono di una specie, ma quello che sta accadendo a Google non è semplicemente il ritorno della Legge di Moore per l'era quantistica; La legge di Neven ci mostra che potremmo essere sul punto di immergerci in un mondo completamente alieno in pochi mesi.

Perché la legge di Moore continua a essere importante anche dopo la fine

Negli ultimi dieci anni, scienziati e ingegneri informatici hanno anticipato la fine apparentemente improvvisa del progresso. La legge di Moore, una linea guida approssimativa che dice che un transistor al silicio può essere ridotto di dimensioni di circa la metà circa ogni due anni, è funzionalmente morta da almeno un paio d'anni.

Finché è vissuto, tuttavia, è stato in grado di stipare sempre più transistor su chip di varie dimensioni, prima potenziando i mainframe, poi i server, poi i personal computer e ora i dispositivi mobili. Ogni due anni, ogni nuovo dispositivo non era solo un miglioramento; ci sarebbero cambiamenti tecnologici rivoluzionari anche due o tre volte in un solo decennio.

Il raddoppio della potenza di elaborazione in ogni generazione di chip per computer ogni due anni e la conseguenza di quel tasso di crescita è il salto compiuto passando dai computer a scheda perforata che calcolano le rotte di volo degli astronauti dell'Apollo diretti sulla luna alla nascita e alla maturazione del Internet, computer velocissimi nelle nostre tasche e reti neurali in grado di gestire l'intera infrastruttura di servizio civile delle città cinesi in meno di 50 anni.

Il salto tecnologico compiuto dall'umanità con il transistor al silicio è stata la più grande innovazione nella storia dell'umanità. Nessun'altra scoperta o invenzione, nemmeno il fuoco, si è trasformata così tanto, così velocemente nella nostra esperienza umana - e sappiamo da almeno un decennio che questo ritmo di cambiamento non poteva continuare per sempre. Poiché i transistor sono ridotti a soli sette nanometri, gli ingegneri stanno lottando per mantenere una carica elettrica che scorre in canali le cui pareti sono spesse solo atomi.

Rendi il transistor più piccolo e la corrente elettrica che alimenta i calcoli e la logica del processore semplicemente salta il canale o fuoriesce dal componente dopo che gli atomi destinati a contenere il flusso di elettroni vengono interrotti nel tempo.

Man mano che più transistor iniziano a guastarsi e a disperdere i loro elettroni in altri componenti, anche quelli si consumano più velocemente e sperimentano tassi di errore più elevati, inibendo le prestazioni del processore nel suo insieme fino a quando l'intera cosa diventa un inutile setaccio di elettroni che perde.

Poiché gli ingegneri non possono stabilizzare i componenti del processore se diventano più piccoli, il chip di silicio ha raggiunto il suo limite fisico, ponendo fine alla legge di Moore e con essa l'aspettativa che tra due anni i computer saranno due volte più veloci di loro. oggi.

Non ci piace affatto, per non dire altro. Possiamo vedere il potenziale tecnologico emergere all'orizzonte; arrivare così vicino ed essere frenati dalle leggi fisiche è il tipo di cosa che per prima ci ha spinto a innovare in primo luogo.

Quindi cosa fai se non riesci a creare un computer più veloce utilizzando scale atomiche? Scienziati e ingegneri hanno inevitabilmente fatto il passo successivo e hanno cercato qualcosa di più piccolo dell'atomo per una risposta, alla meccanica quantistica.

Il mondo quantistico

Il mondo quantistico, tuttavia, non è affatto come il mondo classico. Le particelle subatomiche esotiche si comportano in modi difficili da accettare. Possono attraversare le leggi fondamentali della fisica senza perdere un passo, come fa l'entanglement quantistico quando le particelle accoppiate comunicano istantaneamente tra loro anche se si trovano sui lati opposti dell'universo.

Lo stesso Schroedinger, uno dei principali scopritori della meccanica quantistica, propose il suo famoso esperimento mentale su un gatto in una scatola che è allo stesso tempo vivo e morto per dimostrare quanto stessero diventando assolutamente assurde le sue teorie. Non poteva credere che fosse esattamente come appariva.

Per quanto esasperante, il fatto inevitabile è che il gatto di Schroedinger è davvero vivo e morto allo stesso tempo e lo rimarrà fino a quando un osservatore non aprirà la scatola per controllarlo; quello è il momento in cui l'universo deve decidere, in modo puramente casuale, quale sia lo stato finale del gatto.

Non solo questa sovrapposizione del gatto di Schroedinger è stata dimostrata nella pratica, ma la sovrapposizione di particelle è anche la fonte della potenza di un computer quantistico.

Operando su una particella in sovrapposizione - chiamata a bit quantistico, o qubit- molto più dati possono essere contenuti nella memoria quantistica con molti meno bit rispetto ai computer classici e le operazioni su un qubit applica a tutti i valori possibili quello qubit assume. Quando questi qubit sono accoppiati con altri interdipendenti qubit- può eseguire operazioni logiche molto più complicate in un tempo notevolmente inferiore.

Questo potenziale per una velocità di elaborazione drasticamente migliorata rispetto ai processori classici è ciò che sta guidando così tanto l'hype intorno al calcolo quantistico in questo momento. È il nostro modo per mantenere l'attuale tasso di progresso, non più limitato al bordo dell'acqua entro la fine della legge di Moore.

In che modo il Quantum Computing è garantito per ribaltare la nostra tecnologia

Allora, quanto è potente esattamente l'informatica quantistica? In cosa si traduce questa velocità, in termini reali? Per un po 'la risposta è stata niente. In realtà era un'idea ridicola che nessuno prendeva davvero sul serio.

Proposto in vari modi nel corso degli anni nei giornali accademici a partire dagli anni '70, è apparso di tanto in tanto ma non solo era impossibile immaginare un tale sistema nella pratica; una macchina del genere non servirebbe a nessuno scopo reale per giustificare anche l'investimento di denaro per indagare su di essa. Poi, nel 1994, il matematico Peter Shor ha pubblicato un articolo che ha cambiato tutto.

Shor ha creato un algoritmo che ha risolto un problema di matematica brutalmente intrattabile che è alla base della moderna crittografia RSA, il problema della scomposizione in fattori primi dei numeri interi. Prime fattorizzare un intero lungo diverse migliaia di cifre non è qualcosa che un computer classico può fare in modo efficiente, indipendentemente dal numero di processori che gli si lancia; gli algoritmi necessari non sono noti o non esistono.

Anche se i computer moderni sono diventati più potenti e sono stati in grado di utilizzare la potenza di elaborazione grezza per decifrare le chiavi di crittografia con conteggio bit precedenti a 256 bit, 512 bit e persino superiori, tutto ciò che sarebbe necessario fare è moltiplicare il key di due e il tuo nuovo schema è stato letteralmente esponenzialmente più forte di quello appena rotto.

Un computer classico non migliora esponenzialmente nel risolvere questi problemi con l'aumentare dei numeri coinvolti. Questa limitazione, nota come complessità temporale, alla fine ha messo alcune cose oltre la capacità dei computer classici di risolverle davvero. L'allungamento delle chiavi di crittografia RSA può iniziare molto rapidamente ad aggiungere milioni, miliardi e persino trilioni di anni al tempo necessario per violare la chiave di crittografia utilizzando un computer classico.

Quello che Shor ha mostrato è che l'uso della sovrapposizione di qubit ti consentirebbe di risolvere il problema della fattorizzazione molto più velocemente. Potrebbe volerci ancora molto tempo per rompere la crittografia RSA più dura, ma un problema da un trilione di trilioni di anni è stato trasformato in un problema da 2 a 5 anni con un computer quantistico - e solo con un computer quantistico.

Se la legge di Neven sarà confermata, l'informatica quantistica arriverà tra meno di un anno

La gente finalmente se ne accorse dopo che Shor pubblicò il suo articolo e si rese conto che si trattava di qualcosa di completamente diverso dall'informatica classica e potenzialmente di ordini di grandezza più potenti.

Le persone hanno iniziato a vedere il potenziale, ma negli oltre 20 anni da quando è apparso per la prima volta l'algoritmo di Shor, eseguendo quell'algoritmo e forse alcuni altri algoritmi quantistici pubblicati negli anni da allora rimangono l'unica ragione per cui avremmo mai avuto bisogno di un computer quantistico nel primo posto. Ci è stato detto che cambierà tutto, e abbiamo aspettato perché nella realtà sembra che stia succedendo davvero poco.

Persino molti professionisti dell'informatica, inclusi dottorandi e veterani del settore che conoscono la scienza alla base di tutto, hanno espresso scetticismo sul fatto che l'informatica quantistica manterrà le sue incredibili promesse a volte. Ciò potrebbe cambiare, tuttavia, dopo che Neven ha reso pubblico a maggio l'incredibile crescita dei processori quantistici di Google al Quantum Spring Symposium di Google e ha introdotto il mondo alla "Legge" che porta il suo nome.

Ha rivelato che quello che lui e il resto del team di calcolo quantistico di Google stavano osservando era la crescita "doppiamente esponenziale" della potenza di calcolo quantistica rispetto al calcolo classico: "sembra che non stia succedendo nulla, non stia succedendo nulla, e poi urla, all'improvviso tu sei in un mondo diverso ", ha detto. "Questo è quello che stiamo vivendo qui."

Che cosa significa effettivamente crescita doppiamente esponenziale?

Secondo Neven, ci sono due fattori che si combinano per produrre questo incredibile tasso di crescita che Google sta vedendo nei suoi chip per computer quantistici.

Il primo è semplicemente il vantaggio esponenziale naturale che il calcolo quantistico ha su un computer classico. Dove i bit classici possono essere solo in uno stato alla volta, 1 o 0, un qubit in sovrapposizione è entrambi 1 e 0. Ciò significa che un qubit diventa esponenzialmente più efficiente in termini di rappresentazione ed elaborazione dei dati per ogni qubit aggiuntivo aggiunto. Per un dato numero di qubit n in un processore quantistico, svolgono lo stesso lavoro o conservano la stessa quantità di dati di 2n bit classici. 2 qubit equivale 4 bit, 4 qubit equivale 16 bit, 16 qubit equivale 65, 536 bit, e così via.

Il secondo è più direttamente correlato ai miglioramenti che Google sta apportando ai suoi processori quantistici. Secondo Neven, Google sta vedendo i suoi migliori processori quantistici migliorare a un ritmo esponenziale, qualcosa che IBM ha visto anche con il suo IBM Q System One. Presi insieme, dice Neven, si finisce con un tasso di crescita doppiamente esponenziale del calcolo quantistico rispetto al calcolo classico.

Che aspetto ha la crescita doppiamente esponenziale? La classica funzione di crescita esponenziale quando si ha a che fare con i bit è ovviamente il raddoppio, una funzione definita come 2n nei sistemi binari. Come si raddoppia? Sostituisci semplicemente il file n nella funzione di raddoppio con un'altra funzione di raddoppio, o 22n.

Poiché la legge di Moore è una funzione di raddoppio, possiamo rappresentare la legge di Moore in questo modo, dove n rappresenta un intervallo di due anni:

n Potenza di calcolo classica (2n)
* 1 2

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

Allora cosa fa Legge di Neven Assomiglia a? Sarebbe simile a questo, dove n equivale a ogni nuovo miglioramento del processore quantistico di Google:

n 2n 2(2n) Potenza di calcolo quantistico rispetto alla potenza di calcolo classica

* 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

Dopo che l'elenco va sopra 6, i numeri iniziano a diventare così grandi e astratti che si perde il senso del divario tra dove si trova Google e dove sarà nel passaggio successivo.

Nel caso della legge di Moore, è iniziato nel Anni '70 raddoppiando ogni anno, prima di essere revisionato fino a circa ogni due anni. Secondo Neven, Google sta aumentando in modo esponenziale la potenza dei suoi processori su un file da mensile a semestrale. Se Dicembre 2018 è il 1 in questa lista, quando Neven iniziò i suoi calcoli, allora siamo già in mezzo 5 e 7.

In Dicembre 2019, tra soli sei mesi, la potenza del processore di calcolo quantistico di Google potrebbe essere ovunque 24096 volte a 28192 volte più potente di quanto lo fosse all'inizio dell'anno. Secondo il racconto di Neven, entro febbraio - solo tre mesi dopo che hanno iniziato i loro test, quindi 3 sulla nostra lista, c'eranonon più computer classici nell'edificio che poteva ricreare i risultati dei calcoli del computer quantistico di Google, che un laptop aveva appena fatto due mesi prima.

Neven ha detto che di conseguenza, Google si sta preparando a raggiungere supremazia quantistica- il punto in cui i computer quantistici iniziano a superare i supercomputer che simulano algoritmi quantistici - in una questione di mesi, no anni: "Diciamo spesso che pensiamo che ce la faremo nel 2019. La scritta è sul muro."

Lo scetticismo è garantito, fino a un certo punto

È importante sottolineare che questa crescita di potenza è relativa alla potenza di un computer classico, non una misura assoluta, e che il punto di partenza per il calcolo quantistico non molto tempo fa sarebbe stato paragonabile al UNIVAC computer dell'era del tubo a vuoto dal Anni '40 e Anni '50.

Gran parte della scienza teorica-informatica di base dell'informatica quantistica è ancora in fase di scrittura e di dibattito, e ci sono coloro che hanno i loro dubbi sul fatto che la crescita "doppiamente esponenziale" rispetto al calcolo classico stia realmente accadendo.

Dopotutto, la legge di Moore può essere cancellata, ma l'informatica classica non è morta, continua a migliorare fino ad oggi e continuerà a farlo man mano che vengono sviluppati nuovi algoritmi che migliorano l'efficienza dei computer classici.

Tuttavia, altri dicono che non è sufficiente minimizzare o contestare i rapidi progressi rivendicati da Google per i suoi processori quantistici. IBM potrebbe essere più modesto nelle sue previsioni sulla supremazia quantistica, ma sono fiduciosi di poterlo raggiungere in circa tre anni. Cinque anni fa, molti pensavano che non avremmo visto un computer quantistico fino al 2025 o addirittura fino al 2030 e oltre.

Ora, sembra che potremmo persino vedere il vero affare entro Natale, e non c'è motivo di pensare che la potenza dei computer quantistici non continuerà ad aumentare ulteriormente una volta che Google o IBM o anche qualcun altro raggiungerà il vero supremazia quantistica.


Guarda il video: Teoria QUANTISTICA dei CAMPI. Che roba è? (Potrebbe 2022).


Commenti:

  1. Shaktirn

    Chiaramente, grazie per l'aiuto in questa domanda.

  2. Thaw

    Fedele alla frase

  3. Smyth

    AOT Mess



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