Теоретик и разработчик квантовых алгоритмов PNNL Натан Вибе применяет идеи от науки о данных и игровых хаков к квантовым вычислениям.
Каждый, кто работает на квантовых компьютерах, знает, что устройства подвержены ошибкам. Основная единица квантового программирования - квантовые ворота - дает сбой примерно раз в сто операций. И этот уровень ошибок слишком высок.
В то время как разработчики аппаратного обеспечения и аналитики по программированию беспокоятся о частоте отказов, Натан Вибе из PNNL продолжает писать код, который, как он уверен, будет работать на квантовых компьютерах, когда они будут готовы. В его совместном назначении на должность профессора физики в Вашингтонском университете Вибе обучает следующее поколение теоретиков и программистов квантовых вычислений.
С одной стороны, Уибе сетует, что «существует огромная пропасть между тем, где мы сейчас находимся, и тем, где мы должны быть».
Но так же быстро он отбрасывает сомнения и объясняет, что «мы уже находимся в той точке, где мы делаем действительно интересные вещи».
Именно этот менталитет на опережение сделал его мировым лидером в разработке квантовых алгоритмов с дюжиной различных международных партнерств и 91 публикацией по квантовым алгоритмам, опубликованной только за последние пять лет.
Кодирование для квантовых компьютеров требует огромных усилий на одном уровне, но Уибе отмечает, что любой 15-летний энтузиаст Minecraft не будет иметь проблем с пониманием основ его работы. Безумно популярная игра в виде строительных блоков породила сообщество энтузиастов-программистов, которые создают виртуальные компьютеры в игровой среде. Кодеры Minecraft смоделировали физику реального мира и создали виртуальные калькуляторы, среди прочих подвигов. У вселенной Minecraft есть свои внутренние правила, и некоторые из них не совсем имеют смысла - так же, как некоторые из правил квантовой вселенной не кажутся ясными даже для физиков.
Несмотря на непонимание того, почему правила в Minecraft работают так, как они работают, игроки вместо этого изучают, как работает физика Minecraft, и как использовать эти знания для выполнения задач, которые создатели игр, возможно, не планировали. Квантовые программисты сталкиваются с подобной проблемой. Они сталкиваются со странными правилами квантовой механики и пытаются найти творческие способы «взломать» их для создания компьютеров, которые в некоторых случаях могут решать проблемы в триллионы раз быстрее, чем обычные компьютеры, используя обычные квантовые эффекты, такие как интерференция и запутывание. компьютеров не хватает.
«На квантовом компьютере, когда вы пытаетесь измерить квантовые биты, они возвращаются к обычным битам. При этом они теряют те самые функции, которые дают квантовым вычислениям свою силу », - сказал Вибе. «С квантовым компьютером вы должны быть более тонкими, чем с обычными компьютерами. Вы должны получить информацию о системе, не повреждая информацию, которая была там закодирована ».
«Мы нашли эти странные правила квантовой механики», - сказал он. «Но только сейчас мы спрашиваем, как мы можем использовать эти правила, чтобы позволить нам вычислять».
Это как паровые двигатели
Вибе любит использовать аналогию с Джеймсом Уаттом, изобретателем первого современного парового двигателя. В конце 1700-х годов ограничения мощности, которые могли быть извлечены из парового двигателя, не были поняты. Только позже французский физик Сади Карно обнаружил, что существуют неизменные физические законы, ограничивающие эффективность теплового двигателя. Это наблюдение стало известно как второй закон термодинамики и теперь считается краеугольным камнем науки. Подобно тому, как изучение эффективности тепловых двигателей выявило второй закон термодинамики, изучение квантовых вычислений способно раскрыть более глубокое понимание ограничений, которые физика накладывает на нашу способность вычислять, а также новых возможностей, которые она предоставляет сотрудничать между полями.
По словам Вибе, квантовые вычисления - это не просто физика. Он существует на пересечении многих областей, включая физику , информатику , математику , материаловедение и, все чаще, науку о данных . Действительно, он видит огромную неиспользованную роль для науки о данных и машинного обучения в квантовых вычислениях.
«Как и Уотт и Карно, нам не обязательно фиксировать все мелочи, которые происходят внутри системы», - сказал Вибе. «Все, что нам нужно сделать, это предсказать ввод и вывод. Таким образом, инструменты науки о данных и машинного обучения могут оказать большое влияние на практическую работу квантовых компьютеров ».
Бриллианты в алмазе
Вероятно, одной из первых полезных квантовых технологий станут квантовые датчики - устройства, которые используют квантовые сигналы для измерения таких вещей, как температура и магнитные поля. Виб работал с международной командой коллег, чтобы применить методы машинного обучения к сложной проблеме квантового зондирования .
Биологи хотят использовать эти датчики для измерения того, что происходит внутри отдельных клеток. Датчики сделаны из алмазов с определенными дефектами, которые могут быть использованы для отправки квантовых сигналов. Проблема заключается в том, что при комнатной температуре сигналы квантового датчика содержат слишком много ошибок, чтобы быть практичными. Исследовательская группа не могла заставить эксперименты работать, если все это не было охлаждено до температур жидкого гелия (-452,2 ° F), что, очевидно, не подходит для живых клеток.
Вибе и его коллеги решили эту проблему, выполнив эксперименты при комнатной температуре, а затем применили алгоритм, в котором использовались методы анализа данных и машинного обучения для исправления подверженного ошибкам шумного сигнала.
«Мы получили ту же чувствительность, что и очень холодный криогенный эксперимент, без дополнительных затрат», - сказал он.
Вибе сказал, что применение тех же принципов может быть именно тем, что нужно для исправления шумных, подверженных ошибкам квантовых элементов. Он задает вопрос: «Сколько квантовой коррекции ошибок мне нужно, чтобы гарантировать, что мои алгоритмы будут работать?»
Вибе убежден, что для практического применения квантовых вычислений потребуются совместные междисциплинарные усилия исследователей во многих областях, которые учатся говорить на языках друг друга.
«Если мы сможем построить квантовый компьютер, то у нас будет возможность решать сложные в настоящее время проблемы в области химии, материаловедения и физики», - сказал он. «Задача накладывает ограничения и открывает новые возможности. Квантовые вычисления заставляют нас глубже понять, что это значит для вычислений ».