Чому квантовий чіп Willow вразив світову наукову громадськість?

Джерело: Макрооколо Зепіна

10 грудня Google представив нове покоління квантового чіпу - Willow, що здивувало весь світ технологій, навіть Маск здивувався і сказав «Вау!»!

Наскільки потужний чіп Willow? Наскільки далеко від масового виробництва?

1 Нове покоління квантового чіпу Willow від Google вибухово випустилося, його найбільшим проривом є надзвичайна обчислювальна потужність та здатність до виправлення помилок

**Для базового завдання під назвою “Випадкове схемотехнічне вибіркове виправлення”, найшвидший суперкомп’ютер на сьогоднішній день потребує 10^25 років, щоб розв’язати його, що відноситься до довічного віку Всесвіту (26,7 млрд років) , тоді як Willow виконує це завдання менше ніж за 5 хвилин.

Квантове обчислення мають потенціал значно підвищити швидкість обчислень на конкретних завданнях, перевершуючи класичний комп’ютер, це відомо як “квантова перевага”. Ще в 2019 році Google підтвердив цей факт, опублікувавши статтю у журналі “Nature”, де було показано, що їх квантовий комп’ютер Sycamore з 54 кубітами здійснив завдання, недосяжне для традиційних комп’ютерів: на тому експерименті, для проведення якого на найпотужнішому комп’ютері світу потрібно було б 10 тисяч років, Sycamore зробив це за 3 хвилини 20 секунд. Тоді генеральний директор Google Сундар Пічаї назвав це “Hello World”, яке дослідники чекали так довго, і вважав це найбільш значущим досягненням у практичному використанні квантових обчислень до того часу.

Це безперечно ще одна символічна подія в області квантових обчислень, яка сталася під час випуску Willow.

!

Проте «швидкість» ще не є найбільш помітним досягненням Willow.

Основне перевагу Віллоу полягає в високій здатності до виправлення помилок.

В минулому квантовий чіп у процесі обробки даних, через вразливість квантового стану, легко піддавався впливу навколишнього середовища, що спричиняло явище відмивання фази, що призводило до помилок у стані квантового біта. Таким чином, навіть якщо він має “квантову перевагу”, квантовий комп’ютер легко піддається впливу навколишнього середовища і дуже легко допускає помилки. Зазвичай, чим більше квантових бітів, тим більше помилок виникає.

Таким чином, “квантове виправлення помилок” стало ключовою технологією, квантові чіпи потребують спеціальної техніки квантового виправлення помилок, це також є важливим викликом у цій галузі, що коли-небудь серйозно обмежувало практичне застосування та розвиток квантових обчислень.

Чіп Willow успішно вирішив проблему квантового корекції помилок, яка тривала понад 30 років, і забезпечив експоненціальне зниження помилковості. Дослідження від Google показує, що чим більше квантових бітів використовуються в Willow, тим нижча помилковість системи.

При збільшенні кількості кубітів квантового комп’ютера від 3×3 масиву до 5×5, а потім до 7×7 масиву, кожне розширення в експериментах на чіпах Willow від Google дозволяє знизити помилкову ймовірність кодування в 2,14 рази, при цьому швидкість зниження помилок зростає.

!

2. Що таке квантові обчислення? Чому вони настільки потужні?

1935 року австрійський фізик Ервін Шрьодінгер висунув великий мислительний експеримент: поставити кота в коробку з радіоактивним матеріалом, з ймовірністю 50% радіоактивний матеріал розпадеться і виділить отруйний газ, щоб вбити цього кота, і з ймовірністю 50% радіоактивний матеріал не розпадеться, і кіт залишиться живим. Перед відкриттям коробки ніхто не знає, чи кіт живий, чи мертвий, можна лише описати його як «знаходяться в стані живого або мертвого».

!

Квантовий світ, схожий на “Кота Шрьодінгера”, знаходиться в стані суперпозиції; відповідна нова теорія обчислень - це “квантові обчислення”, а апаратний рівень проявляється у вигляді квантових чіпів, квантових комп’ютерів.

Квантові обчислення мають дві переваги:

По-перше, потужна здатність зберігання даних. Класичне обчислення використовує біт як основну одиницю, у той час як квантове обчислення використовує кубіт як основну одиницю.

У класичних обчисленнях стан біту визначений існує або 0, або 1; в той час як квантовий біт перебуває в стані накладання 0 і 1, іншими словами, він може одночасно зберігати 0 і 1.

1 шматок традиційних чіпів має n бітів, які можуть одночасно зберігати n даних; у той же час чіп з n кубітами може зберігати 2^n даних в один момент.

По-друге, проявляє потужні паралельні обчислювальні здатності для конкретних проблем.

Традиційні електронні комп’ютери працюють послідовно, кожен раз обробляючи лише одне число та перетворюючи його на інше, що означає, що обчислення повинні виконуватися послідовно. У свою чергу, квантові комп’ютери можуть одночасно перетворити 2^n чисел у нові 2^n чисел за одну операцію.

**3.Чи зможуть квантові чіпи майбутнього замінити GPU та прискорити розвиток штучного інтелекту?

Технологія штучного інтелекту та різні застосування останніх років швидко розвиваються, і попит на обчислювальну потужність зростає експоненційно.

Теоретично, паралельні обчислювальні можливості квантових комп’ютерів надають їм природну перевагу в обробці складних алгоритмів штучного інтелекту, що дозволяє значно підвищити швидкість і точність навчання моделей. Поява чіпа Willow можливо надасть нові можливості в області розвитку штучного інтелекту.

Фактично, зараз широко використовується в штучному інтелекті GPU спочатку було розроблено для прискорення обробки графіки. Наприклад, візуалізація 3D-сцени в іграх, моделювання та обробка ефектів в анімації, візуальні ефекти відео в кіно. Проте через його потужні обчислювальні можливості, GPU потім широко використовувався в наукових обчисленнях і сфері штучного інтелекту, особливо в навчанні та розумовому стадії нейронних мереж у глибокому навчанні, виявляючи високу продуктивність при обробці великих наборів даних та завдань з високою паралелізмом.

З цього погляду, квантові чіпи також будуть поступово розривати обмеження розвитку, руйнуючи обчислювальні обмеження і прискорюючи процес навчання різних алгоритмів штучного інтелекту та машинного навчання. Квантові чіпи наразі в основному застосовуються в деяких конкретних галузях, де висока вимога до обчислювальної складності, таких як розкриття алгоритмів шифрування в криптографії (наприклад, потенційна загроза традиційним методам шифрування на основі алгоритму RSA), моделювання квантових систем (моделювання квантових фізичних та хімічних властивостей молекул, матеріалів тощо), складні задачі оптимізації (такі як логістика, розподіл ресурсів тощо). В цих галузях перевага квантового обчислення може бути повністю реалізована і може вирішити завдання, які традиційні комп’ютери не зможуть виконати протягом прийнятного періоду часу.

Зростання обчислювальної потужності квантових чіпів головним чином пов’язане зі збільшенням кількості квантових бітів та поліпшенням їх якості. У майбутньому зі збільшенням кількості квантових бітів, обчислювальна потужність квантового комп’ютера буде зростати експоненційно. Кожен додатковий квантовий біт подвоює кількість можливих комбінацій станів. Наприклад, у двох квантових бітів є 4 комбінації станів, у трьох квантових бітів - 8 комбінацій станів і так далі. Водночас якість квантових бітів (така як час когерентності, точність тощо) також має важливий вплив на обчислювальну потужність. Високоякісні квантові біти здатні більш ефективно зберігати квантовий стан, що дозволяє здійснювати більш точні та складні обчислення.

Але на короткий термін квантовий чіп важко пошатнути позицію GPU. У порівнянні з GPU квантовий чіп має більш потужні обчислювальні можливості та теоретично може бути замінений. Проте, оборонна стіна GPU, обчислювальні можливості - лише один аспект, що є більш важливим: переваги програмованої архітектури та екосистеми розробників, виробничий процес та ступінь готовності промисловості.

Архітектура та екосистема розробників GPU є основними бар’єрами. NVIDIA зробила підготовку до цього «революційного потоку штучного інтелекту» за десять років, використовуючи GPU.

CUDA (Compute Unified Device Architecture) - ​​це перша в історії архітектура програмування GPU, розроблена компанією NVIDIA в 2006 році. Її цінність полягає в тому, що вона створила екосистему розробників GPU, дозволяючи інженерам з алгоритміки розкривати потенціал GPU відповідно до своїх потреб, розширюючи область застосування GPU з графічного рендерингу на загальне використання.

Якщо розробляти нове програмне забезпечення на основі нового обладнання (наприклад, квантових мікросхем), необхідно забезпечити сумісність з попередніми версіями, але основні існуючі програмні продукти з штучного інтелекту зазвичай ґрунтуються на платформі CUDA, тому відмова від архітектури CUDA потребує великих витрат. Крім того, завдяки ефекту оборонного яру, багато розробників високопродуктивних обчислень накопичили досвід розробки в екосистемі CUDA, кількість завантажень CUDA щороку сягає п’ять мільйонів, тому перехід розробників до інших моделей програмування вимагатиме десятирічних зусиль.

!

Виробничий процес та ланцюг поставок відеочіпів вже досить зрілий, що дає можливість мати широкий споживчий ринок та позитивний промисловий цикл.

GPU існує вже 25 років, а комерційні застосування, такі як персональні комп’ютери, індивідуальний розробка, центри обробки даних для штучного інтелекту тощо, існують від 10 до 30 років. На сьогодні GPU від постановки мікросхеми до випуску займає рік, а від випуску до масового виробництва - ще один рік. Розвиток GPU визначає основний тон для розробки фотолітографічного обладнання, ітерації технології обробки кристалів на фабриках тощо. Такий міцний ланцюг виробництва складно порушити під час десятиліть позитивного циклу.

А виробництво квантових чіпів і ланцюжок індустрії графічних процесорів важко перетинати. Проектування та виробництво квантових чіпів надзвичайно складні, вимагають високочистого експериментального середовища, складної технології квантового управління та стабільних кубітів, тому протягом тривалого часу кілька провідних технологічних компаній «працювали поодинці», а зрілий промисловий ланцюжок поставок ще не сформований. Тому серйозною проблемою є реалізація масового виробництва та комерційного застосування квантових чіпів у короткостроковій перспективі.

4.Сфери з найбільшим впливом квантових чіпів: криптовалюти та “HPC+AI”

4.1 Квантовий чіп або “ворог” криптовалюти

На прикладі Bitcoin його безпека ґрунтується на двох ключових механізмах. Перше - це механізм «майнінгу», при чому виробництво Bitcoin базується на роботі Proof of Work (доказ роботи), в якому залежить від хеш-функції. Чим вище швидкість хешування, тим більше ймовірність успіху майнінгу. Друге - це підпис транзакції, який базується на алгоритмі цифрового підпису з еліптичними кривими (ECDSA) і є еквівалентом «гаманця» користувача. Ці два механізми роблять Bitcoin практично незламним на традиційному обчислювальному рівні, але квантові чіпи можуть становити пряму загрозу для Bitcoin.

Перший - це насильницьке розшифрування механізму “добування” квантовим обчисленням. Алгоритм квантового обчислення може прискорити обчислення хеш-функції, тобто прискорити швидкість видобутку, і його масштаб перевищує всі традиційні пристрої в минулому, результат - збільшення успішності видобутку, різке збільшення постачання криптовалюти, що призводить до значних коливань цін на ринку. 10 грудня біткоїн впав з 100 тисяч доларів США до 94 тисяч доларів США. Дані Coinglass показують, що з 10 по 12 грудня вибухло 237 тисяч заявок.

Друге - безпосередня загроза квантового обчислення для підписання угод. У криптовалюти існують два види довіреності - «відкритий ключ» та «приватний ключ», перший є аналогом номера банківської картки, а другий - пароля до гаманця. Зазвичай публічне розміщення відкритого ключа не впливає на безпеку фінансів користувача, але квантове обчислення може розшифрувати підпис та підробити угоду. Наприклад, алгоритм Шора в квантовому обчисленні, спеціально розроблений для розкладу чисел на множники та розв’язання дискретних логарифмів, стане серйозною загрозою для підпису угоди.

Хоча на даний момент Willow становить невелику загрозу для біткойна, дуже ймовірно, що криптовалюти будуть зламані квантовими обчисленнями в майбутньому. Теоретично, атака на сигнатуру та механізм майнінгу Bitcoin вимагатиме мільйонів фізичних кубітів, що все ще є величезним розривом у порівнянні зі 105 фізичними кубітами, які зараз має Willow. Але якщо Willow ітеруватиметься, як графічний процесор загального призначення, і досягне масового виробництва та стрибків обчислювальної потужності, то це не є неможливим для Bitcoin бути «атакованим» у наступному десятилітті.

4.2 Квантовий чип сприятиме розвитку “HPC+AI” та підтримає розвиток вищого рівня штучного інтелекту.

Згідно з класифікацією OpenAI AI від L1 (Чат-бот) до L5 (AGI), розвиток поточних великих моделей AI знаходиться лише на етапі переходу від L1 до L2. AGI рівня L5 визначається як «здатність рівня організації», яка може оцінювати, міркувати, передбачати і планувати дії в динамічному складному реальному середовищі. Галузь вважає, що «HPC + AI» є ключовим кроком у досягненні AGI.

!

Високопродуктивні обчислення (HPC) - це використання потужних обчислювальних можливостей комп’ютера для вирішення наукових, інженерних та технічних проблем, які на певному рівні схожі на сучасні великі моделі штучного інтелекту, але мають різні напрямки та акценти.

HPC зосереджується на «комплексному вирішенні проблем», таких як застосування суперкомп’ютерів у метеорології, фізиці, астрономії та інших галузях, що призвело до великих наукових проривів.

AI-модель фокусується на «розумінні та генерації», хоча не добре справляється зі складними моделями, але має високу універсальність.

Посадка квантових чіпів є революційним проривом в області HPC, а рішення складних завдань більше не вимагає тривалої «грубої сили» традиційних HPC, а може бути розвинено в новому напрямку - У поєднанні з ШІ для більш складної загальної підготовки.

По-перше, традиційне навчання штучного інтелекту не може обробляти дані квантових бітів, тоді як квантові обчислення можуть оптимізувати певні навчальні моделі, які традиційні обчислення не можуть обробляти, та побудувати моделі систем, чутливі до квантових явищ. Тобто майбутні моделі штучного інтелекту матимуть здатність мислення та прогнозування складеного світу, що дозволить зменшити або навіть усунути “ілюзію штучного інтелекту”, що існує в даний час.

Другий аспект - переваги квантового коригування помилок. Чип Willow подолав ключові виклики квантового коригування помилок, досягнувши значного зниження помилковості. В застосуванні квантової технології коригування помилок високорівневого навчання ШІ забезпечує точність та надійність моделі під час навчання та обробки великого обсягу складних даних, зменшуючи обчислювальні помилки, що виникають внаслідок вразливості квантових бітів, тим самим підвищуючи ефективність і надійність навчання ШІ.

Хоча поточне навчання штучного інтелекту ще не має умов для використання квантових чіпів, в майбутньому велике ймовірно, що для підтримки обчислювального потужності буде потрібен квантовий чіп в якості ядра. Оскільки квантові біти дуже чутливі і легко піддаються впливу зовнішніх факторів, включаючи температуру та електромагнітне поле, ці фактори можуть спричинити втрату когерентності квантового стану, що в свою чергу вплине на точність обчислення. Навіть за наявності певних досягнень у сфері корекції помилок у квантовій технології, для досягнення стабільної роботи протягом тривалого часу в застосуваннях навчання штучного інтелекту, все ще необхідно подальше підвищення стабільності та стійкості квантової системи до впливу зовнішніх факторів.

Google випустила нове покоління квантового обчислювального чіпу Willow, що спричинило велике збурення в глобальній технологічній галузі, це не лише значний прорив у галузі квантового обчислення, а й наступний глобальний технологічний фронт.

Шлях розвитку квантових обчислювальних технологій у майбутньому все ще повний тернових шляхів, та багато викликів залишається невирішеними перед широкомасштабним застосуванням в навчанні штучного інтелекту.

Прогрес технологій ніколи не був легким, так само як і GPU, який від тих пір, як став відомим, здивував світ.