Sólin Sólin Rís 11:03 • sest 15:36 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 15:07 • Sest 20:37 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 09:13 • Síðdegis: 21:44 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 02:49 • Síðdegis: 15:37 í Reykjavík

Hvað er nýtt að frétta af skammtatölvum?

Ottó Elíasson

Þegar talað er fjálglega um kosti og kraft skammtatölvu í fjölmiðlum er undantekningalítið átt við vél sem getur framkvæmt svokallaða stafræna skammtareikninga. Þessir reikningar eru gerðir í skammtatölvum á hliðstæðan hátt og reikningar í venjulegum tölvum, það er með forritum sem í grunninn geta gert reikniaðgerðir á bitum tölvunnar. Í skammtatölvu gerir forritið aðgerðir á skammtabitum. En það er ekki þar með sagt að björninn sé unninn og allir reikningar verði leikur einn. Til að nýta eiginleika skammtatölvunnar til fulls þarf forritarinn að kunna að nýta sér skammta-eiginleika skammtabitanna í tölvunni, og það er ekki einfalt mál.

Í dag eru til nokkur skammtareiknirit (e. quantum algorithms) sem munu geta leyst ákveðin vandamál umtalsvert hraðar en hefðbundnar tölvur geta í dag. Nú um stundir keppast stórfyrirtæki á borð við Google og IBM við það að smíða vélbúnað, eða skammtatölvur, sem geta keyrt þessi skammtareiknirit. Frægasta dæmið um svona skammtaforrit er áreiðanlega reiknirit Shors.[1] Þar sýndi vísindamaðurinn Peter Shor fram á að þátta mætti sérhverja heiltölu N með því að nýta sér eiginleika skammtabita. Ekki nóg með það, heldur sýndi hann að tíminn sem tekur að þátta töluna með þessari aðferð vex eins og margliðufall af N. Þetta er mun betri árangur en unnt er að ná með hefðbundnum tölvum, þar sem reikningstíminn vex veldisvísisvexti með tölunni N. Það þýðir að ef ég vil þátta töluna N, tæki það alltaf mun skemmri tíma á skammtatölvu (ef hún væri til) en í hefðbundinni tölvu.

Þetta þykir þeim sem kunna dulkóðun hið versta mál, enda byggir eitt algengasta dulkóðunarkerfi heims, RSA-dulkóðunarkerfið einmitt á þeirri staðreynd að það er erfitt að þátta heiltölur sem eru margfeldi stórra frumtalna. Setjum sem svo að við stæðum frammi fyrir þeim vanda að hefðbundin ofurtölva væri á einhvern hátt í námunda við það að geta þáttað tiltekna tölu sem notuð er sem dulmálslykill (og þar með ráðið dulkóðunina). Þá nægði okkur einfaldlega að velja aðeins lengri tölu í lykilinn og þá værum við viss um öryggi okkar. Í tilviki skammtatölvunnar dygðu slíkar ráðstafanir skammt. Á síðustu tveimur áratugum hefur það orðið sérgrein innan skammtafræði að smíða dulkóðun sem byggir á skammtafræði. Slíka dulkóðun væri þá líka afar erfitt, eða jafnvel ómögulegt að brjóta með skammtatölvu.

Stórfyrirtæki eins og IBM og Google keppast við að smíða skammtatölvu sem getur keyrt skammtareiknirit.

Í nóvember 2019 fór að kvisast út orðrómur um nýjustu skammtatölvu Google. Fullyrt var hún hefði gert reikninga á 200 sekúndum sem tæki hefðbundna (ofur)tölvu 10.000 ár. Þetta var síðan staðfest þegar rannsóknirnar birtust á prenti.[2] Með þessu hélt forsvarsfólk Google því fram að það hefði með óyggjandi hætti unnið kapphlaupið um fyrstu skammtatölvuna sem sýnt gæti fram á svokallaða skammtayfirburði (e. quantum supremacy).[3] Þó nafngift hugtaksins sé óneitanlega óheppileg í pólitísku tilliti, þá á það að lýsa því að skammtatölva hafi leyst tiltekið reikniverkefni, sem sýnilega tæki klassíska tölvu mun lengri tíma (helst nokkra mannsaldra). Hjarta Google-tölvunnar er örgjörvi, sem hýsir 53 samtengda skammtabita. Stuttu eftir að greinin birtist héldu vísindamenn á vegum IBM því fram að niðurstöður hennar mætti véfengja, enda kynnu þeir að reikna vandamálið á tveimur til þremur dögum með ofurtölvu.[4] Það voru því ekki allir á einu máli um hvort tölva Google hefði í raun náð þessu marki, en hvað sem öllum hártogunum líður verðskuldar Google-hópurinn mikið lof fyrir vinnu sína.

Einn helsti vandi sem smiðir skammtatölva standa frammi fyrir er það hversu viðkvæm skammtaástönd eru. Það þarf ekki mikið til að þau tapist. Í hvert skipti sem reikniaðgerð er framkvæmd á skammtabita rýrna gæði skammtaástandsins. Til að gera merkingarbæra reikninga þarf að framkvæma margar aðgerðir á skammtabitum, og í hvert skipti rýrnar ástandið. Afrek Google-hópsins lá einna helst í því hversu lítið reikniaðgerðirnar rýrðu gæði skammtabitanna, sem gerði það að verkum að framkvæma mátti fleiri aðgerðir og flóknari reikninga. Framfarir af þessu tagi verða þó ekki á einni nóttu (eins og kannski mátti skilja af fyrirsögnum dagblaða í nóvember 2019), heldur fyrir tilstilli þrotlausrar vinnu vísindafólks í fjölda ára og enn er langt í land.

Þess ber að geta að IBM rekur skammtatölvu sem er öllum aðgengileg gegnum netið, IBM Quantum Experience.[5] Á vefsíðu þeirra má nálgast venjulegt tölvuforrit sem má nýta til að smíða sitt eigið skammtaforrit. Á þessari opnu tölvu IBM eru þrír skammtaörgjörvar, tveir með fimm skammtabitum og einn með sextán skammtabitum.

Segja má að skammtatölvan sé nýflutt út af tilraunastofum háskólanna, inn á tilraunastofur risafyrirtækja. Þar með er þessum rannsóknum tryggt talsvert meira fjármagn en áður og metnaður fyrirtækjanna liggur meðal annars í því að vera fyrst með fréttirnar. Nú liggja fyrir digurbarkalegar yfirlýsingar IBM sem ætla að smíða fyrstu 1000 skammtabita örgjörvann fyrir árið 2023, og það er hæpið að Google ætli að verða eftirbátar í þeim efnum. Því er spennandi tíðinda að vænta úr þessum heimi á komandi misserum.

Áhugasömum lesendum er bent á afbragðsgott nýlegt greinasafn hjá tímaritinu Quanta Magazine um stöðu rannsókna á skammtatölvum.

Tilvísanir:
  1. ^ Sjá heimild 1.
  2. ^ Sjá heimild 2.
  3. ^ Sjá heimild 3.
  4. ^ Sjá heimild 4.
  5. ^ Sjá heimild 5.

Heimildir:

  1. Vísindamaðurinn Scott Aaronson gerði einu sinni heiðarlega tilraun til að útskýra hvernig forrit Shors virkar á vinsælli bloggsíðu sinni: https://www.scottaaronson.com/blog/?p=208. (Sótt 8.02.2021).
  2. F. Arute og fl. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574 (505-510). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5. (Sótt 8.02.2021).
  3. Ágæta grein um hugtakið má finna á vef Quanta Magazine: https://www.quantamagazine.org/john-preskill-explains-quantum-supremacy-20191002/. (Sótt 8.02.2021).
  4. Aðfinnslur IBM út í fullyrðingar Google um skammtayfirburði, https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/. (Sótt 8.02.2021).
  5. IBM’s Quantum Experience, https://quantum-computing.ibm.com/. (Sótt 8.02.2021).

Mynd:

Höfundur

Ottó Elíasson

doktor í eðlisfræði

Útgáfudagur

16.2.2021

Spyrjandi

Friðrik Bragi Dýrfjörð

Tilvísun

Ottó Elíasson. „Hvað er nýtt að frétta af skammtatölvum?“ Vísindavefurinn, 16. febrúar 2021. Sótt 8. desember 2021. http://visindavefur.is/svar.php?id=31797.

Ottó Elíasson. (2021, 16. febrúar). Hvað er nýtt að frétta af skammtatölvum? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=31797

Ottó Elíasson. „Hvað er nýtt að frétta af skammtatölvum?“ Vísindavefurinn. 16. feb. 2021. Vefsíða. 8. des. 2021. <http://visindavefur.is/svar.php?id=31797>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvað er nýtt að frétta af skammtatölvum?
Þegar talað er fjálglega um kosti og kraft skammtatölvu í fjölmiðlum er undantekningalítið átt við vél sem getur framkvæmt svokallaða stafræna skammtareikninga. Þessir reikningar eru gerðir í skammtatölvum á hliðstæðan hátt og reikningar í venjulegum tölvum, það er með forritum sem í grunninn geta gert reikniaðgerðir á bitum tölvunnar. Í skammtatölvu gerir forritið aðgerðir á skammtabitum. En það er ekki þar með sagt að björninn sé unninn og allir reikningar verði leikur einn. Til að nýta eiginleika skammtatölvunnar til fulls þarf forritarinn að kunna að nýta sér skammta-eiginleika skammtabitanna í tölvunni, og það er ekki einfalt mál.

Í dag eru til nokkur skammtareiknirit (e. quantum algorithms) sem munu geta leyst ákveðin vandamál umtalsvert hraðar en hefðbundnar tölvur geta í dag. Nú um stundir keppast stórfyrirtæki á borð við Google og IBM við það að smíða vélbúnað, eða skammtatölvur, sem geta keyrt þessi skammtareiknirit. Frægasta dæmið um svona skammtaforrit er áreiðanlega reiknirit Shors.[1] Þar sýndi vísindamaðurinn Peter Shor fram á að þátta mætti sérhverja heiltölu N með því að nýta sér eiginleika skammtabita. Ekki nóg með það, heldur sýndi hann að tíminn sem tekur að þátta töluna með þessari aðferð vex eins og margliðufall af N. Þetta er mun betri árangur en unnt er að ná með hefðbundnum tölvum, þar sem reikningstíminn vex veldisvísisvexti með tölunni N. Það þýðir að ef ég vil þátta töluna N, tæki það alltaf mun skemmri tíma á skammtatölvu (ef hún væri til) en í hefðbundinni tölvu.

Þetta þykir þeim sem kunna dulkóðun hið versta mál, enda byggir eitt algengasta dulkóðunarkerfi heims, RSA-dulkóðunarkerfið einmitt á þeirri staðreynd að það er erfitt að þátta heiltölur sem eru margfeldi stórra frumtalna. Setjum sem svo að við stæðum frammi fyrir þeim vanda að hefðbundin ofurtölva væri á einhvern hátt í námunda við það að geta þáttað tiltekna tölu sem notuð er sem dulmálslykill (og þar með ráðið dulkóðunina). Þá nægði okkur einfaldlega að velja aðeins lengri tölu í lykilinn og þá værum við viss um öryggi okkar. Í tilviki skammtatölvunnar dygðu slíkar ráðstafanir skammt. Á síðustu tveimur áratugum hefur það orðið sérgrein innan skammtafræði að smíða dulkóðun sem byggir á skammtafræði. Slíka dulkóðun væri þá líka afar erfitt, eða jafnvel ómögulegt að brjóta með skammtatölvu.

Stórfyrirtæki eins og IBM og Google keppast við að smíða skammtatölvu sem getur keyrt skammtareiknirit.

Í nóvember 2019 fór að kvisast út orðrómur um nýjustu skammtatölvu Google. Fullyrt var hún hefði gert reikninga á 200 sekúndum sem tæki hefðbundna (ofur)tölvu 10.000 ár. Þetta var síðan staðfest þegar rannsóknirnar birtust á prenti.[2] Með þessu hélt forsvarsfólk Google því fram að það hefði með óyggjandi hætti unnið kapphlaupið um fyrstu skammtatölvuna sem sýnt gæti fram á svokallaða skammtayfirburði (e. quantum supremacy).[3] Þó nafngift hugtaksins sé óneitanlega óheppileg í pólitísku tilliti, þá á það að lýsa því að skammtatölva hafi leyst tiltekið reikniverkefni, sem sýnilega tæki klassíska tölvu mun lengri tíma (helst nokkra mannsaldra). Hjarta Google-tölvunnar er örgjörvi, sem hýsir 53 samtengda skammtabita. Stuttu eftir að greinin birtist héldu vísindamenn á vegum IBM því fram að niðurstöður hennar mætti véfengja, enda kynnu þeir að reikna vandamálið á tveimur til þremur dögum með ofurtölvu.[4] Það voru því ekki allir á einu máli um hvort tölva Google hefði í raun náð þessu marki, en hvað sem öllum hártogunum líður verðskuldar Google-hópurinn mikið lof fyrir vinnu sína.

Einn helsti vandi sem smiðir skammtatölva standa frammi fyrir er það hversu viðkvæm skammtaástönd eru. Það þarf ekki mikið til að þau tapist. Í hvert skipti sem reikniaðgerð er framkvæmd á skammtabita rýrna gæði skammtaástandsins. Til að gera merkingarbæra reikninga þarf að framkvæma margar aðgerðir á skammtabitum, og í hvert skipti rýrnar ástandið. Afrek Google-hópsins lá einna helst í því hversu lítið reikniaðgerðirnar rýrðu gæði skammtabitanna, sem gerði það að verkum að framkvæma mátti fleiri aðgerðir og flóknari reikninga. Framfarir af þessu tagi verða þó ekki á einni nóttu (eins og kannski mátti skilja af fyrirsögnum dagblaða í nóvember 2019), heldur fyrir tilstilli þrotlausrar vinnu vísindafólks í fjölda ára og enn er langt í land.

Þess ber að geta að IBM rekur skammtatölvu sem er öllum aðgengileg gegnum netið, IBM Quantum Experience.[5] Á vefsíðu þeirra má nálgast venjulegt tölvuforrit sem má nýta til að smíða sitt eigið skammtaforrit. Á þessari opnu tölvu IBM eru þrír skammtaörgjörvar, tveir með fimm skammtabitum og einn með sextán skammtabitum.

Segja má að skammtatölvan sé nýflutt út af tilraunastofum háskólanna, inn á tilraunastofur risafyrirtækja. Þar með er þessum rannsóknum tryggt talsvert meira fjármagn en áður og metnaður fyrirtækjanna liggur meðal annars í því að vera fyrst með fréttirnar. Nú liggja fyrir digurbarkalegar yfirlýsingar IBM sem ætla að smíða fyrstu 1000 skammtabita örgjörvann fyrir árið 2023, og það er hæpið að Google ætli að verða eftirbátar í þeim efnum. Því er spennandi tíðinda að vænta úr þessum heimi á komandi misserum.

Áhugasömum lesendum er bent á afbragðsgott nýlegt greinasafn hjá tímaritinu Quanta Magazine um stöðu rannsókna á skammtatölvum.

Tilvísanir:
  1. ^ Sjá heimild 1.
  2. ^ Sjá heimild 2.
  3. ^ Sjá heimild 3.
  4. ^ Sjá heimild 4.
  5. ^ Sjá heimild 5.

Heimildir:

  1. Vísindamaðurinn Scott Aaronson gerði einu sinni heiðarlega tilraun til að útskýra hvernig forrit Shors virkar á vinsælli bloggsíðu sinni: https://www.scottaaronson.com/blog/?p=208. (Sótt 8.02.2021).
  2. F. Arute og fl. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574 (505-510). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5. (Sótt 8.02.2021).
  3. Ágæta grein um hugtakið má finna á vef Quanta Magazine: https://www.quantamagazine.org/john-preskill-explains-quantum-supremacy-20191002/. (Sótt 8.02.2021).
  4. Aðfinnslur IBM út í fullyrðingar Google um skammtayfirburði, https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/. (Sótt 8.02.2021).
  5. IBM’s Quantum Experience, https://quantum-computing.ibm.com/. (Sótt 8.02.2021).

Mynd:...