Google Quantum Dream Machine

Džons Martiniss izmantoja lasīšanas briļļu roku, lai norādītu vietu, kur viņš pēc dažiem gadiem plāno demonstrēt gandrīz neiedomājami jaudīgu jaunu datora veidu. Tā ir cilindriska ligzda pusotras collas garumā, kas atrodas rumpja lieluma misiņa, vara un zelta plākšņu, bloku un stiepļu kaudzes apakšā. Nākamajā dienā pēc tam, kad es tikos ar viņu šoruden, viņš ievietoja kontaktligzdā eksperimentālu supravadītāju mikroshēmu, kurā bija iegravēts mikroskopisks Google logotips, un atdzesēja aparātu līdz Celsija grāda simtdaļai virs absolūtās nulles. Lai atzīmētu pirmo mašīnas testēšanas dienu, Martinis sarīkoja, viņaprāt, nelielu ballīti alus darītavas krogā kopā ar kolēģiem no viņa nesen aprīkotās Google laboratorijas Santabarbarā, Kalifornijā.

Džons Martiniss ir pētījis, kā kvantu datori varētu darboties 30 gadus. Tagad viņš varētu būt uz robežas, lai beidzot izveidotu noderīgu.

Šī ballīte nebija nekas, salīdzinot ar svētkiem, kas notiks, ja Martinis un viņa grupa patiešām varēs izveidot brīnumdatoru, ko viņi meklē. Tā kā tas izmantotu dīvainās kvantu fizikas īpašības, kas rodas ekstremālos apstākļos, piemēram, ultraaukstā mikroshēmā, jaunais dators ļautu Google kodētājam veikt aprēķinus kafijas pauzē, kas mūsdienu superdatoram aizņemtu miljoniem gadu. Programmatūra, ko Google ir izstrādājusi parastajos datoros, lai vadītu automašīnas vai atbildētu uz jautājumiem, varētu kļūt daudz viedāka. Un agrākās posma idejas, kas kūsā Google un tā mātesuzņēmumā, piemēram, roboti, kas var kalpot kā ārkārtas palīdzības sniedzēji, vai programmatūra, kas var sarunāties cilvēku līmenī, var kļūt reālas.

Kvantu skaitļošanas teorētiskie pamati ir labi izveidoti. Un fiziķi var izveidot pamatvienības, kas pazīstamas kā kubiti, no kurām izgatavotu kvantu datoru. Viņi pat var vadīt kubitus kopā mazās grupās. Bet viņi nav izveidojuši pilnībā funkcionējošu, praktisku kvantu datoru.

Martinis ir izcila figūra šajā jomā: viņa pētnieku grupa Kalifornijas Universitātē Santabarbarā ir parādījusi dažus no visdrošākajiem kubitiem un ļāvusi tiem darbināt daļu no koda, kas būtu nepieciešams kvantu datora funkcionēšanai. Uzņēmums Google viņu pieņēma darbā 2014. gada jūnijā pēc tam, kad pārliecināja uzņēmumu, ka viņa komandas tehnoloģija varētu ātri attīstīties ar atbilstošu atbalstu. Kad viņa jaunā Google laboratorija ir izveidota un darbojas, Martinis domā, ka viņš var demonstrēt nelielu, bet noderīgu kvantu datoru divu vai trīs gadu laikā. Viņš saka, ka mēs bieži sakām viens otram, ka šobrīd veidojam kvantu datoru industriju.

Google un kvantu skaitļošana ir algoritmu debesīs līdzīga spēle. Bieži tiek teikts, ka uzņēmumu nosaka neremdināms datu bads. Taču uzņēmumam Google ir vēl svarīgāka stratēģiskā atkarība: tehnoloģija, kas iegūst informāciju no datiem un pat rada informāciju no tiem. Uzņēmums tika dibināts, lai komercializētu tīmekļa lapu ranžēšanas algoritmu, un tas izveidoja savus finanšu pamatus ar sistēmām, kas pārdod un mērķētas reklāmas. Pavisam nesen Google ir ieguldījis lielus ieguldījumus mākslīgā intelekta programmatūras izstrādē, kas var iemācīties saprast valodu vai attēlus, veikt pamata spriešanu vai vadīt automašīnu cauri satiksmei — tas viss joprojām ir sarežģīts parastajiem datoriem, taču kvantu datoriem tas ir viegli. Mašīnmācība ir galvenais, pārveidojošs veids, kā mēs pārdomājam, kā mēs visu darām, nesen informēja investorus Google izpilddirektors Sundars Pichai. Šo centienu atbalstīšana būtu pirmā no daudzajām darbavietām Martinisa jaunajai kvantu nozarei.

Sapņu veidotājs

Vēl pagājušajā nedēļā izredzes, ka kvantu dators dažu gadu laikā darīs kaut ko noderīgu, šķita attālināts. Pētnieki valdības, akadēmiskajās un korporatīvajās laboratorijās bija tālu no tā, lai apvienotu pietiekami daudz kubitu, lai izveidotu pat vienkāršu principu pierādīšanas mašīnu. Labi finansēts Kanādas starta uzņēmums D-Wave Systems pārdeva dažus no tā dēvētajiem pasaulē pirmajiem komerciālajiem kvantu datoriem, taču gadiem ilgi nespēja pārliecināt ekspertus, ka mašīnas patiešām dara to, ko vajadzētu darīt kvantu datoram (skatiet CIP un Džefa Bezosa Bet par kvantu skaitļošanu).

Pēc tam NASA izsauca žurnālistus uz ēku N-258 savā Eimsas pētniecības centrā Mauntinvjū, Kalifornijā, kur kopš 2013. gada atrodas Google nopirktais D-Wave dators. Tur Hartmuts Nevens, kurš vada Kvantu mākslīgā intelekta laboratorija Uzņēmums Google, kas izveidots, lai eksperimentētu ar D-Wave mašīnu, atklāja pirmos reālos pierādījumus, ka tā var piedāvāt kvantu skaitļošanas atbalstītāju solījumus. Rūpīgi izstrādātā testā D-Wave datorā esošā supravadītāja mikroshēma, kas pazīstama kā kvantu atkvēlinātājs, darbojās 100 miljonus reižu ātrāk nekā parastais procesors.

Vēl pagājušajā nedēļā izredzes, ka kvantu dators dažu gadu laikā darīs kaut ko noderīgu, šķita attālināts. Tad NASA izsauca žurnālistus uz savu Eimsas pētniecības centru Mauntinvjū.

Tomēr šāda veida priekšrocībām ir jābūt pieejamām praktiskos skaitļošanas uzdevumos, nevis tikai izdomātos testos. Mums ir jāatvieglo problēmu, kas rodas pie inženiera galda, uztveršana un ievietošana datorā, sacīja Nevens, runīgs mašīnmācības eksperts. Šeit parādās Martinis. Nevens neuzskata, ka D-Wave var pietiekami ātri sagatavot sava kvantu rūdītāja versiju, lai tā varētu kalpot Google inženieriem, tāpēc viņš nolīga Martinisu, lai to paveiktu. Kļuva skaidrs, ka mēs nevaram vienkārši gaidīt, saka Nevens. Ir saraksts ar trūkumiem, kas jāpārvar, lai nonāktu pie īstas tehnoloģijas. Viņš saka, ka D-Wave mikroshēmas kubiti ir pārāk neuzticami un nav pietiekami biezi savienoti. (D-Wave izpilddirektors Verns Braunels atbild, ka viņu neuztrauc Google konkurence.)

Google konkurēs ne tikai ar jebkādiem uzlabojumiem, ko var veikt D-Wave, bet arī ar Microsoft un IBM, kuriem ir savi būtiski kvantu skaitļošanas projekti (skatiet Microsoft Quantum Mechanics un IBM Show Off a Quantum Computing Chip ). Taču šie uzņēmumi koncentrējas uz dizainparaugiem, kas ir daudz tālāk, lai tie kļūtu praktiski noderīgi. Patiešām, aptuvens Google projekta iekšējais laika grafiks lēš, ka Martinisa grupa var izveidot kvantu rūdītāju ar 100 kubitiem, tiklīdz 2017. gadā. D-Wave jaunākajā mikroshēmā jau ir 1097 kubiti, bet Nevens saka, ka augstas kvalitātes mikroshēma ar mazāk kubitu tomēr noderēs dažiem uzdevumiem. Kvantu rūdīšanas ierīce var darbināt tikai vienu noteiktu algoritmu, taču tas ir labi piemērots jomām, kuras Google rūp visvairāk. Lietojumprogrammas, kas varētu īpaši gūt labumu, ir modeļu atpazīšana un mašīnmācīšanās, saka Viljams Olivers , vecākais darbinieks MIT Linkolnas laboratorijā, kurš ir pētījis kvantu skaitļošanas potenciālu.

57 gadus vecais Džons Martiniss ir ideāls cilvēks, lai cīnītos ar prātam neaptverami sarežģītu kvantu fizikas pētījumu virzienu jaunā inženierzinātņu disciplīnā. Viņš ne tikai prot ienirt ezotēriskajā matemātikā, bet arī mīl būvēt lietas. Pat ar vienu kubitu darbināma mīkla, kas samontēta no dziļās kvantu teorijas, cietvielu fizikas, materiālu zinātnes, mikrofabrikas, mehāniskās konstrukcijas un parastās elektronikas. Gara auguma Martinis ar skaļu, draudzīgu balsi personīgi cenšas apgūt katra skaņdarba teoriju un tehnisko realizāciju. Iepazīstoties ar savu jauno Google laboratoriju, viņš ir tikpat sajūsmā par jaunajiem lodāmuriem un darbgaldiem parastajā darbnīcā, kā par sarežģītākām iekārtām, kas atdzesē skaidas un darbina tās. Man tas ir jautri, viņš saka. Es varēju veikt eksperimentus, ko neviens cits nevarēja izdarīt, jo es varēju izveidot savu elektroniku.

Šī eksperimentālā mikroshēma, kas iegravēta ar Google logotipu, ir atdzesēta līdz nedaudz virs absolūtās nulles, lai radītu kvantu efektus.

Martinim un viņa komandai ir jābūt prasmīgiem tik daudzās lietās, jo kubiti ir nepastāvīgi. Tos var izgatavot dažādos veidos — Mārtīni izmanto alumīnija cilpas, kas atdzesētas ar niecīgām strāvām, līdz tās kļūst par supravadītājiem, taču tie visi attēlo datus, izmantojot smalkus kvantu stāvokļus, kurus karstums un elektromagnētiskais troksnis viegli izkropļo vai iznīcina, potenciāli sabojājot aprēķinu.

Kubiti izmanto savu trauslo fiziku, lai darītu to pašu, ko tranzistori izmanto elektrību parastajā mikroshēmā: attēlo bināros informācijas bitus vai nu 0 vai viens . Bet kubiti var arī sasniegt stāvokli, ko sauc par superpozīciju, kas faktiski ir abi 0 un viens tajā pašā laikā. Kubitus superpozīcijā var saistīt ar parādību, kas pazīstama kā sapīšanās, kas nozīmē, ka darbība, kas tiek veikta ar vienu, nekavējoties ietekmē otru. Šie efekti ļauj ar vienu darbību kvantu datorā veikt daudzas, daudzas citas darbības parastajā datorā. Dažos gadījumos kvantu datora priekšrocībām salīdzinājumā ar parasto datoru vajadzētu pieaugt eksponenciāli līdz ar apstrādājamo datu apjomu.

Grūtības izveidot pietiekami stabilus kubitus ir iemesls, kāpēc mums vēl nav kvantu datoru. Bet Martinis ir strādājis pie tā vairāk nekā 11 gadus un domā, ka viņš ir gandrīz tur. Viņa kubitu koherences laiks jeb laiks, kurā tie var uzturēt superpozīciju, ir desmitiem mikrosekunžu — aptuveni 10 000 reižu vairāk nekā tiem, kas atrodas D-Wave mikroshēmā.

Mārtiņa pārliecība par savas komandas aparatūru pat liek viņam domāt, ka viņš varētu izveidot Google alternatīvu kvantu rūdītājam, kas būtu vēl jaudīgāks. Universālu kvantu datoru, kā to dēvētu, varētu ieprogrammēt tā, lai tas risinātu jebkura veida problēmas, nevis tikai viena veida matemātiku. Šīs pieejas teorija patiesībā ir labāk saprotama nekā teorija par atkausētājiem, daļēji tāpēc, ka lielākā daļa laika un naudas kvantu skaitļošanas pētījumos ir veltīta universālajai kvantu skaitļošanai. Taču kubiti nav bijuši pietiekami uzticami, lai teoriju pārvērstu funkcionējošā universālā kvantu datorā.

Šī metāla plākšņu struktūra ir nepieciešama, lai atdzesētu un aizsargātu kvantu mikroshēmas.

Līdz martam, tas ir, kad Martinis un viņa komanda kļuva par pirmajiem, kas demonstrēja kubitus, kas pārsniedza būtisko uzticamības slieksni universālam kvantu datoram (skatiet Google pētnieki padara kvantu skaitļošanas komponentus uzticamākus). Viņi ieguva mikroshēmu ar deviņiem kubitiem, lai palaistu daļu no kļūdu pārbaudes programmas, ko sauc par virsmas kodu, kas ir nepieciešama šāda datora darbībai (pēc tam IBM ir ieguvusi daļu no virsmas koda, kas darbojas četros kubitos). Mēs demonstrējām tehnoloģiju līdz vietai, kur es zināju, ka mēs varam palielināt mērogu, saka Martinis. Šis bija pa īstam.

Mārtiņa mērķis ir aptuveni divu gadu laikā parādīt pilnīgu universālu kvantu datoru ar aptuveni 100 kubitiem aptuveni tajā pašā laikā, kad viņš piegādā Google jauno kvantu rūdītāju. Tas būtu pagrieziena punkts datorzinātnēs, taču maz ticams, ka tas uzreiz palīdzētu Google programmētājiem. Virsmas koda sarežģītība ir tāda, ka, lai gan mikroshēma ar 100 kubitiem varētu palaist kļūdu pārbaudes programmu, tā nespētu veikt nekādu lietderīgu darbu papildus tam, saka. Roberts Makdermots , kurš vada kvantu skaitļošanas pētījumu grupu Viskonsinas Universitātē. Tomēr Martinis domā, ka, tiklīdz viņš varēs iegūt savus kubitus pietiekami uzticamus, lai ievietotu 100 no tiem universālā kvantu mikroshēmā, pavērsies ceļš uz daudzu citu apvienošanu. To mēs diezgan labi saprotam, viņš saka. Ir grūti panākt saskaņotību, taču to ir viegli palielināt.

Stulbi algoritmi

Kad Martinis paskaidro, kāpēc viņa tehnoloģija ir nepieciešama uzņēmumam Google, viņš nesaudzē to cilvēku jūtas, kuri strādā pie AI. Viņš saka, ka mašīnmācīšanās algoritmi ir patiešām stulbi, balsī ir jūtams brīnums. Viņiem ir nepieciešams tik daudz piemēru, lai mācītos.

Patiešām, mašīnmācība, ko izmanto Google un citi skaitļošanas uzņēmumi, ir nožēlojama līdzās tam, kā cilvēki vai dzīvnieki apgūst jaunas prasmes vai zināšanas. Lai iemācītu programmatūras jaunus trikus, piemēram, kā fotoattēlos atpazīt automašīnas un kaķus, parasti ir nepieciešami tūkstošiem vai miljoniem rūpīgi atlasītu un marķētu piemēru. Lai gan paņēmiens, ko sauc par dziļo mācīšanos, nesen ir radījis pārsteidzošus sasniegumus attiecībā uz precizitāti, ar kādu programmatūra var iemācīties interpretēt attēlus un runu, sarežģītākas spējas, piemēram, valodas nianšu izpratne, joprojām ir mašīnas nepieejamas.

Nevenam ir jāizdomā, kā Martinisa mikroshēmas var padarīt Google programmatūru mazāk muļķīgu. Viņš domā, ka apbrīnojamais kubitu spēks mazinās plaisu starp mašīnmācību un bioloģisko mācīšanos un pārveidos mākslīgā intelekta jomu. Viņš saka, ka mašīnmācība tiks pārveidota par kvantu mācīšanos. Tas varētu nozīmēt programmatūru, kas var mācīties no nekārtīgākiem datiem vai mazāk datu, vai pat bez skaidras instrukcijas. Piemēram, Google pētnieki ir izstrādājuši algoritmu, kas, viņuprāt, ļautu mašīnmācības programmatūrai izmantot jaunu triku, pat ja pat puse no sniegtajiem piemēra datiem ir nepareizi marķēti. Nevens domā, ka šāda veida skaitļošanas muskuļi varētu būt atslēga, lai sniegtu datoru iespējas, kas mūsdienās ir pieejamas tikai cilvēkiem. Cilvēki runā par to, vai mēs varam radīt radošas mašīnas — visradošākās sistēmas, ko varam izveidot, būs kvantu AI sistēmas, viņš saka.

Praktiskāk, tā kā pašlaik ir jāpraktizē tikai D-Wave mašīna, Google pētnieki nevar darīt daudz vairāk, kā tikai spekulēt par to, ko tieši viņi varētu vai vajadzētu darīt ar Martinis būvētajām mikroshēmām. Pat tad, ja viņi tos iegūs, būs vajadzīgs laiks, lai izgudrotu un izveidotu infrastruktūru, kas nepieciešama, lai darbinātu lielu skaitu eksotisku ierīču, lai tās varētu sniegt būtisku ieguldījumu Google biznesā.

Nevens ir pārliecināts, ka Google kvantu amatnieki un viņa komanda var tikt galā ar visu to. Viņš attēlo supravadošu mikroshēmu rindas, kas izvietotas datu centros, lai Google inženieri salīdzinoši drīz varētu piekļūt internetam. Es varētu prognozēt, ka pēc 10 gadiem nekas cits kā kvantu mašīnmācība nebūs — jūs vairs nedarīsit tradicionālo ceļu, viņš saka. Smaidošs Martinis piesardzīgi pieņem šo redzējumu. Man tas patīk, bet tas ir grūti, viņš saka. Viņš to var pateikt, bet man tas ir jāveido.

paslēpties