während sagte ich Vor einigen Monaten, als wir einen Weg fanden, Moores Gesetz zurückzubringen, hatte ich nicht erwartet, dass es so sinken würde. In a neuer Bericht in Quanta Magazine von Kevin Hartnett, Hartmut Neven, dem Direktor von Google Quantum Artificial Intelligence Lab zeigt, dass das Leistungswachstum mit jeder neuen Verbesserung des besten Quantenprozessors von Google anders ist als alles, was in der Natur zu finden ist. Es wächst nicht nur exponentiell, wie im Mooreschen Gesetz, sondern mit a doppelt exponentielle Rate was bedeutet, dass wir möglicherweise nur noch wenige Monate vom Beginn der praktischen Ära des Quantencomputers entfernt sind.
Hartmut Neven von Google fordert uns auf, uns fertig zu machen
Hartnetts Stück sollte ein wichtiger Weckruf für die Welt sein. Während wir uns auf den Weg gemacht haben und denken, dass morgen mehr oder weniger wie heute sein würde, scheint in den Quantum AI-Labors von Google in Santa Barbara etwas Außergewöhnliches zu geschehen.Kalifornien. Im Dezember 2018 begannen Neven und sein Team mit einer Berechnung des besten Quantenprozessors des Unternehmens, als sie etwas Unglaubliches sahen.
VERBINDUNG: KEINE TRANSISTOREN MEHR: DAS ENDE VON MOORES GESETZ
"Sie konnten die Berechnung des [Quantenprozessors] mit einem normalen Laptop reproduzieren" Hartnett schreibt . "Im Januar führten sie denselben Test mit einer verbesserten Version des Quantenchips durch. Diesmal mussten sie einen leistungsstarken Desktop-Computer verwenden, um das Ergebnis zu simulieren. Bis Februar befanden sich keine klassischen Computer mehr im Gebäudedas könnte ihre Quantenkollegen simulieren. Die Forscher mussten dafür Zeit im riesigen Servernetzwerk von Google anfordern.
"Irgendwann im Februar musste ich anrufen, um zu sagen: 'Hey, wir brauchen mehr Quote'" Nevens sagte Hartnett . „Wir haben Jobs ausgeführt, die aus einer Million Prozessoren bestehen.“
Googles leistungsstärkster Quantenprozessor hat etwas getan, das keine offensichtlichen Parallelen aufweist. "Doppelt exponentielles Wachstum" Hartnett schreibt , "ist so einzigartig, dass es in der realen Welt schwierig ist, Beispiele dafür zu finden. Die Fortschrittsrate beim Quantencomputing ist möglicherweise die erste."
Die beispiellose Beschleunigung der Quantencomputergeschwindigkeiten, die Neven erstmals identifiziert hat, wurde von Google-Forschern in einem nicht so subtilen Verweis auf das Moore'sche Gesetz des klassischen Computing als Neven'sches Gesetz bezeichnet, jedoch mit einem Unterschied. Sie sind von einer Art, aber was passiertbei Google ist nicht nur die Rückkehr von Moores Gesetz für die Quantenära; Nevens Gesetz zeigt uns, dass wir in nur wenigen Monaten in eine völlig fremde Welt eintauchen werden.
Warum Moores Gesetz auch nach seinem Tod weiterhin von Bedeutung ist
In den letzten zehn Jahren haben Informatiker und Ingenieure das scheinbar abrupte Ende des Fortschritts erwartet. Das Moore'sche Gesetz, eine grobe Richtlinie, die besagt, dass ein Siliziumtransistor etwa alle zwei Jahre um etwa die Hälfte verkleinert werden kann, ist funktionell totmindestens ein paar Jahre jetzt.
Während es lebte, war es jedoch in der Lage, immer mehr Transistoren auf Chips unterschiedlicher Größe zu stopfen, wobei zuerst Mainframes, dann Server, dann PCs und jetzt mobile Geräte aktiviert wurden. Alle paar Jahre war nicht jedes neue Gerätnur eine Verbesserung; es würde revolutionäre technologische Veränderungen in einem Jahrzehnt zehn- oder dreimal geben.
Die Verdoppelung der Verarbeitungsleistung in jeder Generation von Computerchips alle zwei Jahre und die Folge dieser Wachstumsrate ist der Sprung von Lochkartencomputern, die die Flugwege von Apollo-Astronauten zum Mond berechnen, bis zur Geburt und Reifungdes Internets, blitzschnelle Computer in unseren Taschen und neuronale Netze, die in weniger als 50 Jahren die gesamte Infrastruktur des öffentlichen Dienstes von Städten in China betreiben können.
Der Technologiesprung, den die Menschheit mit dem Siliziumtransistor gemacht hat, war die größte Innovation in der Geschichte der Menschheit. Keine andere Entdeckung oder Erfindung, nicht einmal das Feuer, hat sich in unserer menschlichen Erfahrung so schnell verändert - und das wissen wir schon beiMindestens ein Jahrzehnt, in dem dieses Tempo des Wandels nicht für immer andauern konnte. Da Transistoren auf nur sieben Nanometer reduziert sind, kämpfen Ingenieure darum, dass eine elektrische Ladung in Kanälen fließt, deren Wände nur Atome dick sind.
Verkleinern Sie den Transistor, und der elektrische Strom, der die Berechnungen und die Logik des Prozessors antreibt, springt einfach über den Kanal oder tritt aus der Komponente aus, nachdem Atome, die den Elektronenfluss enthalten sollen, mit der Zeit unterbrochen werden.
Wenn mehr Transistoren ausfallen und ihre Elektronen in andere Komponenten lecken, nutzen sich auch diese schneller ab und weisen höhere Fehlerraten auf, wodurch die Leistung des Prozessors insgesamt beeinträchtigt wird, bis das Ganze zu einem nutzlosen, undichten Elektronensieb wird.
Da Ingenieure die Komponenten des Prozessors nicht stabilisieren können, wenn sie kleiner werden, hat der Siliziumchip seine physikalische Grenze erreicht - ein Ende des Moore'schen Gesetzes und damit die Erwartung, dass Computer in zwei Jahren doppelt so schnell sein werden wiesie sind heute.
Wir mögen das überhaupt nicht, um es gelinde auszudrücken. Wir können sehen, dass das technologische Potenzial am Horizont aufsteigt. So nahe zu kommen und sich von physikalischen Gesetzen zurückhalten zu lassen, hat uns zuerst zu Innovationen getriebenden ersten Platz.
Was tun Sie also, wenn Sie mit atomaren Skalen keinen schnelleren Computer herstellen können? Wissenschaftler und Ingenieure haben unweigerlich den nächsten Schritt unternommen und nach einer Antwort auf die Quantenmechanik gesucht, die kleiner als das Atom ist.
Die Quantenwelt
Die Quantenwelt ist jedoch überhaupt nicht wie die klassische Welt. Exotische subatomare Teilchen verhalten sich auf eine Weise, die schwer zu akzeptieren ist. Sie können durch grundlegende Gesetze der Physik blasen, ohne einen Schritt zu verpassen, wie es die Quantenverschränkung bei gepaarten Teilchen tutsofort miteinander kommunizieren, auch wenn sie sich auf gegenüberliegenden Seiten des Universums befinden.
Schröderinger selbst, einer der wichtigsten Entdecker der Quantenmechanik, schlug sein berühmtes Gedankenexperiment über eine Katze in einer Kiste vor, die gleichzeitig lebendig und tot ist, um zu demonstrieren, wie absolut absurd seine Theorien wurden. Er konnte nichtglaube, dass es genau so war, wie es schien.
So verrückt es auch war, die unvermeidliche Tatsache ist, dass Schrödingers Katze tatsächlich gleichzeitig lebendig und tot ist und dies auch bleiben wird, bis ein Beobachter das Kästchen öffnet, um es zu überprüfen. Dies ist der Moment, in dem sich das Universum entscheiden muss.auf rein zufällige Weise, wie der endgültige Zustand der Katze tatsächlich ist.
Diese Überlagerung von Schrödingers Katze hat sich nicht nur in der Praxis bewährt, sondern durch die Überlagerung von Partikeln kommt auch die Leistung eines Quantencomputers.
Durch Arbeiten an einem Teilchen in Überlagerung - genannt a Quantenbit oder Qubit - Im Quantenspeicher können weitaus mehr Daten mit weitaus weniger Bits als in klassischen Computern enthalten sein, und Operationen auf a Qubit gelten für alle möglichen Werte das Qubit übernimmt. Wenn diese Qubits sind mit anderen voneinander abhängigen Personen gepaart Qubits - kann erheblich kompliziertere Logikoperationen in deutlich kürzerer Zeit ausführen.
Dieses Potenzial für eine drastisch verbesserte Verarbeitungsgeschwindigkeit gegenüber klassischen Prozessoren treibt derzeit den Hype um Quantencomputer so stark an. Auf diese Weise können wir die aktuelle Fortschrittsrate aufrechterhalten und sind bis zum Ende des Jahres nicht mehr auf den Rand des Wassers beschränktMoores Gesetz.
Wie Quantum Computing garantiert unsere Technologie auf den neuesten Stand bringt
Wie leistungsfähig ist Quantencomputing genau dann? Was bedeutet diese Geschwindigkeit real? Für eine Weile war die Antwort nichts. Es war tatsächlich eine lächerliche Idee, die niemand wirklich ernst nahm.
Im Laufe der Jahre in wissenschaftlichen Arbeiten seit den 1970er Jahren auf verschiedene Weise vorgeschlagen, tauchte es immer wieder auf, aber es war nicht nur unmöglich, sich ein solches System in der Praxis vorzustellen, eine solche Maschine würde auch keinen wirklichen Zweck erfüllen, um dies zu rechtfertigenGeld investieren, um es zu untersuchen. Dann, 1994, Mathematiker Peter Shor veröffentlichte ein Papier das hat alles verändert.
Shor hat einen Algorithmus entwickelt, der ein brutal unlösbares mathematisches Problem auflöst, das die Grundlage für die moderne RSA-Kryptographie darstellt, das Problem der Primfaktorisierung von ganzen Zahlen. Die Primfaktorisierung einer mehrtausendstelligen ganzen Zahl ist einfach nichts, was ein klassischer Computer effizient tun kann.egal wie viele Prozessoren Sie darauf werfen; die notwendigen Algorithmen sind entweder nicht bekannt oder existieren nicht.
Selbst als moderne Computer leistungsfähiger wurden und in der Lage waren, mit roher Verarbeitungsleistung frühere Verschlüsselungsschlüssel mit 256 Bit, 512 Bit und noch höherer Bitanzahl zu knacken, müsste lediglich die verwendete Bitanzahl multipliziert werdenfür Ihren Schlüssel um zwei und Ihr neues Schema war buchstäblich exponentiell stärker als das, das gerade geknackt wurde.
Ein klassischer Computer kann diese Probleme mit zunehmender Anzahl nicht exponentiell besser lösen. Diese Einschränkung wird als bezeichnet. zeitliche Komplexität Setzen Sie eventuell einige Dinge über die Kapazität klassischer Computer hinaus, um sie jemals wirklich zu lösen. Durch die Verlängerung von RSA-Verschlüsselungsschlüsseln kann die Zeit, die zum Knacken des Verschlüsselungsschlüssels mit einem klassischen Computer benötigt wird, sehr schnell um Millionen, Milliarden und sogar Billionen von Jahren verlängert werden.
Shor hat gezeigt, dass Sie mit der Überlagerung von Qubits das Faktorisierungsproblem erheblich schneller lösen können. Es kann noch lange dauern, bis die härteste RSA-Verschlüsselung aufgebrochen ist, aber es wurde ein Billionen-Billionen-Jahr-Problem behobenein 2- bis 5-jähriges Problem mit einem Quantencomputer - und nur mit einem Quantencomputer.
Wenn das Gesetz von Neven in Kraft tritt, wird Quantum Computing in weniger als einem Jahr hier sein
Die Leute wurden schließlich aufmerksam, nachdem Shor seine Arbeit veröffentlicht hatte und feststellte, dass dies etwas völlig anderes als klassisches Computing war und möglicherweise um Größenordnungen leistungsfähiger.
Die Leute begannen, das Potenzial zu erkennen, aber in den mehr als 20 Jahren seit dem ersten Erscheinen von Shors Algorithmus, der diesen Algorithmus und vielleicht einige andere ausführt Quantenalgorithmen veröffentlicht in den letzten Jahren bleibt der einzige Grund, warum wir überhaupt einen Quantencomputer brauchen würden. Uns wurde gesagt, dass er alles ändern wird, und wir haben gewartet, da in der Realität sehr, sehr wenig zu passieren scheint.
Sogar viele Informatiker, darunter Doktoranden und Branchenveteranen, die die Wissenschaft kennen, die dahinter steckt, haben ihre Skepsis geäußert, dass Quantencomputer ihr manchmal unglaubliches Versprechen erfüllen werden. Dies kann sich jedoch ändern, nachdem Neven an die Börse gegangen istMai über das unglaubliche Wachstum von Googles Quantenprozessoren beim Quantum Spring Symposium von Google und Einführung der Welt in das "Gesetz", das seinen Namen trägt.
Er enthüllte, dass er und der Rest des Quantencomputerteams von Google das "doppelt exponentielle" Wachstum der Quantencomputerleistung im Vergleich zum klassischen Computing betrachteten: "Es sieht so aus, als ob nichts passiert, nichts passiert, und dann hoppla,plötzlich bist du in einer anderen Welt " sagte er . "Das erleben wir hier."
Was bedeutet doppelt exponentielles Wachstum eigentlich?
Laut Neven gibt es zwei Faktoren die zusammen diese unglaubliche Wachstumsrate erzeugen, die Google in seinen Quantencomputerchips sieht.
Der erste ist einfach der natürliche exponentielle Vorteil, den Quantencomputer gegenüber einem klassischen Computer haben. Wenn klassische Bits zu einem bestimmten Zeitpunkt nur in einem Zustand sein können, 1 oder 0, ein Qubit in Überlagerung ist beide 1 und 0. Dies bedeutet, dass ein Qubit in Bezug auf die Darstellung und Verarbeitung von Daten für jedes zusätzliche hinzugefügte Qubit exponentiell effizienter wird. Für eine bestimmte Anzahl von Qubits n in einem Quantenprozessor erledigen sie die gleiche Arbeit oder enthalten die gleiche Datenmenge wie 2 n klassische Bits. 2 Qubits gleich 4 Bit , 4 Qubits gleich 16 Bit , 16 Qubits gleich 65, 536 Bit und so weiter.
Die zweite bezieht sich direkter auf die Verbesserungen, die Google an seinen Quantenprozessoren vornimmt. Laut Neven verbessert Google die besten Quantenprozessoren exponentiell, was IBM. hat auch gesehen mit seinem IBM Q System One Zusammengenommen, sagt Neven, ergibt sich eine doppelt exponentielle Wachstumsrate des Quantencomputers im Vergleich zum klassischen Computing.
Wie sieht doppelt exponentielles Wachstum aus? Die klassische exponentielle Wachstumsfunktion beim Umgang mit Bits verdoppelt sich offensichtlich, eine Funktion definiert als 2 n in binären Systemen. Wie verdoppelt man? Einfach ersetzen n in der Verdopplungsfunktion mit einer anderen Verdopplungsfunktion oder 2 2 n .
Da das Mooresche Gesetz eine Verdopplungsfunktion ist, können wir das Mooresche Gesetz wie folgt darstellen, wo n entspricht einem Zweijahresintervall :
n Klassische Rechenleistung 2 n
* 1 2
* 2 4
* 3 8
* 4 16
* 5 32
* 6 64
* 7 128
* 8 256
* 9 512
* 10 1024
Also was macht Nevensches Gesetz siehst aus wie? Es würde ungefähr so aussehen, wo n entspricht jeder neuen Verbesserung des Quantenprozessors von Google :
n 2 n 2 2 n Quantencomputerleistung relativ zur klassischen Rechenleistung
* 1 2 2 2 4
* 2 4 2 4 16
* 3 8 2 8 256
* 4 16 2 16 65.536
* 5 32 2 32 4,294,967,296
* 6 64 2 64 18.446.744.073.709.551.616
* 7 128 2 128 3.4028236692093846346337460743177e + 38
* 8 256 2 256 1.1579208923731619542357098500869e + 77
* 9 512 2 512 1.3407807929942597099574024998206e + 154
* 10 1024 2 1024 1.797693134862315907729305190789e + 308
Nachdem die Liste oben steht 6 Die Zahlen werden so groß und abstrahiert, dass Sie die Kluft zwischen dem Standort von Google und dem Standort im nächsten Schritt verlieren.
Im Fall von Moores Gesetz begann es in der 1970er Jahre verdoppelt sich jedes Jahr, bevor es bis etwa alle zwei Jahre überarbeitet wird. Laut Neven erhöht Google die Leistung seiner Prozessoren auf a exponentiell. monatlich bis halbmonatlich Wenn Dezember 2018 ist das 1 auf dieser Liste, als Neven zum ersten Mal mit seinen Berechnungen begann, sind wir schon dazwischen 5 und 7 .
In Dezember 2019 In nur sechs Monaten kann die Leistung des Quantencomputer-Prozessors von Google irgendwo liegen. 2 4096 Zeiten bis 2 8192 Zeiten so stark wie zu Jahresbeginn. Laut Nevens Aussage bis Februar - nur drei Monate nachdem sie ihre Tests begonnen haben, also 3 auf unserer Liste--, es gab keine klassischen Computer mehr in dem Gebäude, das die Ergebnisse der Berechnungen des Quantencomputers von Google nachbilden konnte, die ein Laptop gerade durchgeführt hatte zwei Monate früher
Neven sagte Google bereitet sich daraufhin darauf vor, zu erreichen Quantenüberlegenheit - der Punkt, an dem Quantencomputer beginnen, Supercomputer zu übertreffen, die Quantenalgorithmen simulieren - in nur einer Frage von Monate nicht Jahre : „Wir sagen oft, wir glauben, dass wir es 2019 schaffen werden. Die Schrift steht an der Wand.“
Skepsis ist bis zu einem gewissen Punkt gerechtfertigt
Es ist wichtig zu betonen, dass dieses Leistungswachstum relativ zur Leistung eines klassischen Computers ist, kein absolutes Maß, und dass der Ausgangspunkt für Quantencomputer vor nicht allzu langer Zeit mit dem vergleichbar wäre. UNIVAC Vakuumröhren-Computer aus der 1940er Jahre und 1950er Jahre .
Ein Großteil der theoretischen Kerninformatik des Quantencomputers wird noch geschrieben und diskutiert, und es gibt diejenigen, die Zweifel daran haben, ob tatsächlich ein "doppelt exponentielles" Wachstum im Vergleich zum klassischen Computing stattfindet.
Immerhin kann das Mooresche Gesetz angewendet werden, aber das klassische Rechnen ist nicht tot. Es verbessert sich bis heute weiter und wird dies auch weiterhin tun, wenn neue Algorithmen entwickelt werden, die die Effizienz klassischer Computer verbessern.
Andere sagen jedoch, dass es nicht ausreicht, nur die von Google für seine Quantenprozessoren behaupteten raschen Fortschritte herunterzuspielen oder zu bestreiten. IBM ist in seinen Vorhersagen zur Quantenüberlegenheit möglicherweise bescheidener, aber sie sind zuversichtlich, dass sie kann es erreichen In ungefähr drei Jahren. Vor fünf Jahren dachten viele, wir würden einen Quantencomputer erst 2025 oder sogar erst 2030 und darüber hinaus sehen.
Nun sieht es so aus, als würden wir bis Weihnachten sogar das echte Geschäft sehen, und es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass die Leistung von Quantencomputern nicht weiter zunehmen wird, wenn entweder Google oder IBM oder sogar jemand anderes die Wahrheit erreicht. Quantenüberlegenheit .