Почему квантовый чип Willow вызывает такой резонанс в мировой научно-технической среде?

Источник: Зэпин Макро

10 декабря Google анонсировала новый поколение квантового чипа Willow, который потряс всю мировую научно-техническую общественность и даже вызвал восклицание ‘Вау’ от Маска!

В чем мощь микросхемы Willow? Как далеко до массового производства?

1 Компания Google представила новейший квантовый чип Willow, основным прорывом является его высокая вычислительная и исправляющая способности

Для базовой задачи под названием “случайный выбор схемы”, самому быстрому суперкомпьютеру сейчас потребовалось бы 10 в 25 степени лет, чтобы ее решить, ** что значительно превышает возраст Вселенной (26,7 миллиардов лет); ** в то время как ** Willow завершила эту задачу менее чем за 5 минут. **

Квантовые вычисления имеют потенциал значительно увеличить скорость вычислений и превзойти классические компьютеры в определенных задачах, что называется «квантовым превосходством». Уже в 2019 году Google подтвердил этот факт, опубликовав в журнале Nature результаты эксперимента, в котором было показано, что квантовый компьютер Sycamore с 54 кубитами выполнил задачу, которую традиционные архитектуры компьютеров решали бы 10 тысяч лет, за 3 минуты и 20 секунд. Тогда генеральный директор Google Сундар Пичаи назвал это «Hello World», ожидаемое и долгожданное событие для исследователей и важный этап на пути к практическому применению квантовых вычислений.**

Выпуск Willow безусловно является еще одним символическим событием в области квантовых вычислений.

!

Однако «быстро» все еще не является самым впечатляющим достижением Willow.

Одной из главных особенностей Willow является ее способность к сильной корректировке ошибок.

В прошлом, в процессе обработки данных квантовыми чипами из-за хрупкости квантового состояния они легко подвержены воздействию окружающей среды, что приводит к явлению декогеренции, вызывая ошибки в состоянии квантовых битов. Таким образом, несмотря на ‘квантовое превосходство’, квантовый компьютер легко подвержен воздействию окружающей среды и очень часто допускает ошибки. Как правило, чем больше квантовых битов, тем больше ошибок происходит.

Поэтому «квантовое исправление ошибок» становится ключевой технологией. Квантовые чипы требуют особой технологии квантового исправления ошибок, что также является важной задачей в этой области и серьезно ограничивает практическое использование и развитие квантовых вычислений.

Чип Willow успешно решает проблему квантовой коррекции ошибок, которая беспокоила исследователей в течение последних 30 лет, и обеспечивает экспоненциальное снижение уровня ошибок. Исследования Google показывают, что чем больше квантовых битов используется в Willow, тем ниже уровень ошибок в системе.

По мере увеличения количества кубитов с 3х3-массива до 5х5- и затем до 7х7-массива в эксперименте с чипом Willow от Google каждое расширение снижает коэффициент ошибок в 2,14 раза, и коэффициент ошибок снижается все быстрее и быстрее.

!

2. Что такое квантовые вычисления? Почему они настолько мощны?

В 1935 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер выдвинул великолепный мысленный эксперимент: поместить кошку в коробку с радиоактивным веществом, с 50% вероятностью радиоактивное вещество распадется и высвободит яд, убив кошку, и с 50% вероятностью радиоактивное вещество не распадется, и кошка выживет. До открытия коробки никто не знает, жива ли кошка, или уже мертва, можно только использовать термин “находится в состоянии суперпозиции живого и мёртвого”.

!

Квантовый мир, подобно “коту Шрёдингера”, находится в состоянии неопределенности; соответствующая новая теория вычислений - “квантовые вычисления”, а аппаратный уровень проявляется в виде квантовых чипов, квантовых компьютеров.

Квантовые вычисления обладают двумя преимуществами:

Во-первых, мощные возможности хранения данных. Классические вычисления используют биты в качестве основных единиц, а квантовые вычисления используют кубиты в качестве основных единиц.

В классическом вычислении состояние бита определено и может быть либо 0, либо 1; в то время как квантовый бит находится в состоянии суперпозиции 0 и 1, другими словами, он может одновременно хранить 0 и 1.

1 традиционный чип с n битами может хранить n данных одновременно; Чип с n кубитами может хранить 2^n данных одновременно.

Во-вторых, проявляет мощные возможности параллельных вычислений для конкретной проблемы.

Традиционный электронный компьютер выполняет вычисления последовательно, каждая операция преобразует только одно значение в другое, что означает, что вычисления должны выполняться по порядку. В то время как квантовый компьютер может одновременно преобразовать 2^n данных в новые 2^n данных.

3.Могут ли будущие квантовые чипы заменить GPU и продвинуть процесс развития ИИ?

Технологии искусственного интеллекта и различные приложения развиваются стремительными темпами в последние годы, и спрос на вычислительные возможности растет экспоненциально.

В теории параллельные вычисления в квантовых вычислениях дают им естественное преимущество при обработке сложных алгоритмов искусственного интеллекта, что может значительно увеличить скорость и точность обучения моделей. Возможно, появление чипа Willow может предоставить мощные вычислительные возможности для дальнейшего развития искусственного интеллекта.

На самом деле, GPU, который сейчас широко применяется в ИИ, изначально был разработан для ускорения обработки графики. Например, визуализация трехмерных сцен в играх, моделирование и обработка спецэффектов в анимации, визуальные эффекты в кино и видео. Однако, благодаря своим вычислительным возможностям, GPU позднее получили широкое применение в научных вычислениях и области искусственного интеллекта, особенно в обучении и выводе нейронных сетей глубокого обучения, где они проявляют выдающуюся производительность в обработке масштабных наборов данных и высокой степени параллелизма.

С этой точки зрения, квантовые чипы будут постепенно развиваться и преодолевать ограничения вычислений, ускоряя процесс обучения различных алгоритмов искусственного интеллекта. В настоящее время квантовые чипы применяются в основном в определенных областях, где требуется высокая вычислительная сложность, таких как взлом алгоритмов шифрования в криптографии (например, потенциальная угроза для традиционных методов шифрования, основанных на алгоритме RSA), моделирование квантовых систем (моделирование физических и химических свойств на квантовом уровне молекул, материалов и т. д.), решение сложных оптимизационных задач (таких как логистическое планирование, распределение ресурсов и другие сложные комбинаторные задачи). В этих областях преимущества квантовых вычислений могут быть полностью раскрыты и могут быть решены задачи, которые традиционные компьютеры не могут выполнить в разумное время.

Рост вычислительных возможностей квантовых чипов в основном связан с увеличением количества и улучшением качества квантовых битов. В будущем, с увеличением количества квантовых битов, вычислительные возможности квантового компьютера будут расти экспоненциально. Каждое увеличение количества квантовых битов удваивает количество возможных комбинаций состояний. Например, у 2 квантовых битов есть 4 комбинации состояний, у 3 квантовых битов - 8 комбинаций состояний, и так далее. В то же время, качество квантовых битов (например, когерентное время, достоверность и т.д.) также влияет на вычислительные возможности. Высококачественные квантовые биты могут более эффективно сохранять квантовое состояние, что позволяет достигать более точных и сложных вычислений.

Однако с точки зрения краткосрочных перспектив, квантовые чипы трудно потрясти позиции GPU. По сравнению с GPU, квантовые чипы обладают более мощной вычислительной мощностью и в теории могут быть заменены. Однако у GPU есть своя защитная стена, и вычислительная мощность - это только одна сторона медали. Более важными являются: программируемая архитектура и преимущества экосистемы разработчиков, зрелость производственных технологий и промышленность.

Архитектура и экосистема разработчиков GPU - основные барьеры. NVIDIA уже более десяти лет занимается “революцией в области вычислений для искусственного интеллекта” с помощью GPU.

CUDA (Compute Unified Device Architecture) - первая платформа для программирования GPU, разработанная компанией NVIDIA в 2006 году. Ее ценность заключается в том, что она создала экосистему разработчиков GPU, позволяющую инженерам-алгоритмистам открывать возможности GPU в соответствии со своими потребностями, что позволило расширить область применения GPU от графической отрисовки до универсальной.

Если основываться на новом оборудовании (например, квантовом чипе) для разработки нового программного обеспечения, это потребует обеспечения обратной совместимости, но существующее основное программное обеспечение ИИ в основном зависит от разработки на платформе CUDA, поэтому отказ от архитектуры CUDA потребует значительных затрат. Кроме того, защитный эффект разработческого сообщества, многие разработчики высокопроизводительных вычислений накопили опыт разработки в экосистеме CUDA, которая каждый год загружается до пяти миллионов раз, переход сообщества разработчиков на другие программные модели займет десятилетие работы.

!

Процесс производства графических процессоров и зрелая промышленная цепочка обладают широким рынком потребления и положительным циклом промышленности.

GPU существует уже 25 лет, и внизу появились коммерческие сценарии использования, такие как персональные ПК, настраиваемая разработка, центры данных AI, которые уже существуют от 10 до 30 лет. В настоящее время, от разработки чипов GPU до выпуска продукта на рынок проходит год, а от выпуска продукта на рынок до начала массового производства проходит еще один год. Разработка GPU является основным фокусом, который порождает соответствующие циклы в развитии производства, такие как разработка литографического оборудования, итерации производства на кремниевых подложках и т.д. Такая прочная промышленная цепочка прошла более десятилетия положительного цикла и трудно будет разрушить ее.

А производство квантовых чипов и отраслевые цепочки графических процессоров трудно перекрывать. Проектирование и производство квантовых чипов чрезвычайно сложны, требует высокочистой экспериментальной среды, сложной технологии квантового управления и стабильных кубитов, поэтому в течение долгого времени несколько ведущих технологических компаний «работали в одиночку», а зрелая промышленная цепочка поставок еще не сформировалась. Таким образом, реализация массового производства и коммерческого применения квантовых чипов в краткосрочной перспективе является серьезной проблемой.

4. Квантовые чипы оказывают наибольшее влияние на области криптовалют и «HPC+AI»

4.1 Квантовые чипы или “убийцы” криптовалюты

На примере биткоина его безопасность основана на двух ключевых механизмах. Первый - это механизм добычи криптовалюты, производимой на основе доказательства выполнения работы (Proof of Work), который зависит от хэш-функции. Чем выше хэш-скорость, тем больше вероятность успешной добычи криптовалюты. Второй механизм - это подпись транзакции, основанная на алгоритме эллиптической кривой цифровой подписи (ECDSA) и являющаяся пользовательским «идентификационным кошельком». Дизайн этих двух механизмов позволяет биткоину почти невозможно взламываться с помощью традиционных вычислительных ресурсов, но квантовые чипы представляют прямую угрозу для безопасности биткоина.

Первое - это насильственное взломание механизма «майнинга» квантовыми вычислениями. Алгоритмы квантовых вычислений могут ускорять вычисление хэш-функций, то есть увеличивать скорость майнинга, и это превышает все традиционные устройства в прошлом. Результатом является повышение успешности майнинга, резкое увеличение объема криптовалютного предложения и значительные колебания цен на рынке. 10 декабря биткоин упал с 100 000 долларов до 94 000 долларов. Данные Coinglass показывают, что с 10 по 12 декабря было ликвидировано 237 000 человек.

Вторая прямая угроза квантовых вычислений заключается в подписании сделок. Транзакции криптовалют имеют два типа удостоверений: ‘публичный ключ’ и ‘приватный ключ’. Публичный ключ, как номер банковской карты, и приватный ключ, как пароль от кошелька. Обычно, раскрытие публичного ключа не влияет на безопасность средств пользователя, но квантовые вычисления могут взломать подпись с использованием публичного ключа и подделать транзакцию. Например, алгоритм Шора в квантовых вычислениях специально разработан для взлома факторизации больших чисел и дискретных логарифмических проблем, что представляет серьезную угрозу для подписи сделок.

Хотя у Willow в настоящее время угроза для биткойна невелика, криптовалюту вполне возможно взломать с помощью квантовых вычислений в будущем. Теоретически для атаки на подпись и механизм майнинга биткойна потребуется около нескольких миллионов физических кубитов, что существенно превосходит 105 физических кубитов, имеющихся у Willow в настоящее время. Но если Willow будет итеративно развиваться, как общие GPU, реализуя массовое производство и увеличение вычислительной мощности, то в течение следующих десяти лет взлом биткойна также станет возможным.

4.2 квантовые чипы будут способствовать развитию “HPC+AI” и стимулировать развитие высокоуровневого искусственного интеллекта

Согласно классификации OpenAI по уровням AI от L1 (Chatbot) до L5 (AGI), текущее развитие крупных моделей AI находится только в переходной фазе от L1 до L2. AGI уровня L5 определяется как ‘имеющий способности на уровне организации’, способный оценивать, рассуждать, прогнозировать и планировать действия в динамических и сложных реальных средах. Индустрия считает, что «HPC + AI» станет ключевым шагом к достижению AGI.

!

Высокопроизводительные вычисления (HPC) относятся к использованию мощных вычислительных возможностей для решения научных, инженерных и технических проблем. Они имеют некоторое сходство с современными AI-моделями, но имеют различные направления и акценты.

HPC сосредоточен на «решении сложных проблем», таких как значительные научные достижения в области метеорологии, физики, астрономии и т. д. благодаря применению суперкомпьютеров.

Тогда как модели ИИ фокусируются на ‘рассуждении и генерации’, они не очень хороши в решении сложных моделей, но они обладают хорошей универсальностью.

Посадка квантовых чипов является революционным прорывом в области HPC, а решение сложных задач уже не требует длительной «операции грубой силы» традиционных HPC, а может развиваться в новом направлении - В сочетании с ИИ для более сложного общего обучения.

Одним из них является то, что традиционное обучение искусственного интеллекта не способно обрабатывать квантовые битовые данные, в то время как квантовые вычисления могут оптимизировать определенные модели обучения, которые традиционные вычисления не могут обработать, и создавать чувствительные к квантовым явлениям системные модели. То есть будущие модели искусственного интеллекта будут обладать способностью рассуждать и предсказывать сложные миры, что позволит сократить или даже устранить “иллюзию искусственного интеллекта”, которая существует в настоящее время.

**Второе - преимущества квантовой коррекции ошибок. Чип Willow преодолевает ключевые вызовы квантовой коррекции ошибок и достигает значительного снижения уровня ошибок. Применение технологии квантовой коррекции ошибок в высокоуровневом обучении искусственного интеллекта позволяет гарантировать точность и надежность модели при обучении и обработке большого объема сложных данных, а также снижать вычислительные ошибки, вызванные хрупкостью кубитов, что повышает эффективность и надежность обучения искусственного интеллекта.

В настоящее время обучение искусственного интеллекта еще не обладает достаточной мощностью для использования квантовых чипов, однако в будущем по всей вероятности потребуется использование квантовых чипов в качестве основной вычислительной мощности. Поскольку квантовые биты чрезвычайно чувствительны и подвержены воздействию внешних факторов, включая температуру и электромагнитное поле, эти факторы могут привести к декогерентности квантового состояния и, следовательно, повлиять на точность вычислений. Несмотря на определенные успехи Willow в области квантовой коррекции ошибок, для обеспечения длительной стабильной работы в реальном применении обучения искусственного интеллекта требуется дальнейшее улучшение стабильности и устойчивости квантовой системы к воздействию внешних факторов.

Google выпустил новейший квантовый процессор Willow, который вызвал огромный резонанс в мировом технологическом сообществе. Это не только значительный прорыв в области квантовых вычислений, но и следующий мировой технологический фронт.

Дорога развития квантовых вычислительных технологий в будущем все еще будет тернистой, и перед масштабным применением в обучении искусственного интеллекта остается множество нерешенных проблем.

Прогресс технологий никогда не был легким путем, как и GPU, с тихого безмолвия до яркого проявления.