Leta 2012 je sedel v vročem bazenu fizik Seth Lloyd predlagal kvantno internetno aplikacijo Googlovim ustvarjalcem, Sergeju Brinu in Larryju Pageu. Poimenoval ga je Quoogle: iskalnik, ki uporablja matematiko, ki temelji na fiziki subatomskih delcev in prikazuje rezultate, ne da bi poznal same poizvedbe. Za takšen preskok bi bil potreben popolnoma nov tip pomnilnika - tako imenovani QAMM ali kvantni pomnilnik z naključnim dostopom.
Čeprav je ideja spletla Brin in Page, sta se odpovedala, je Lloyd povedal za "Gizmodo". Po njegovem so ga spomnili, da njihov poslovni model temelji na tem, da vedo vse o vseh.
Toda KOSU kot ideja ni umrl. Sodobni računalniki si dobro zapomnijo informacije v milijardnih bitih, dvojiških številkah, ki so enake nič ali ena. RAM, ali pomnilnik z naključnim dostopom, za kratek čas shrani podatke na silikonske čipe in vsakemu podatku dodeli določen naslov, do katerega lahko dostopate naključno in v katerem koli vrstnem redu, da se pozneje sklicujejo na te informacije. Zaradi tega je računalnik veliko hitrejši, kar omogoča prenosniku ali mobilnemu telefonu, da takoj poišče podatke, shranjene v RAM-u, ki jih pogosto uporabljajo aplikacije, namesto da bi jih iskal v shrambi, kar je veliko počasneje. Toda v prihodnosti bodo računalniške procesorje morda nadomestili ali povečali kvantni računalniški procesorji, stroji, ki so sposobni vdelati velikanske baze podatkov.strojno učenje in umetna inteligenca. Kvantni računalniki so še vedno nova tehnologija, vendar če bodo kdaj zmogli izvesti te potencialno donosne algoritme, bodo potrebovali povsem nov način dostopa do RAM-a. Potrebovali bodo TELO.
"KRAM je lahko izjemna aplikacija, ki omogoča kvantne naprave Googla in IBM-a takoj uporabne," je Lloyd povedal za Gizmodo.
Klasični računalniki, kot so ThinkPad, Iphone in najzmogljivejši superračunalniki, vse svoje delovanje opravijo s prevajanjem podatkov v eno ali več kombinacij bitov, ničel in tistih. Bitovi delujejo med seboj in na koncu ustvarijo še eno kombinacijo ničel in enot. Tudi kvantni računalniki dajejo končni rezultat v obliki enot in ničel. Ko pa štetje nadaljuje, njihovi kvantni biti ali kiti komunicirajo med seboj na nov način po istih fizikalnih zakonih, ki urejajo elektrone. Namesto da bi bila ena ali ena ali ena, je lahko vsak kubit pri štetju oboje, z uporabo matematične enačbe, ki šifrira verjetnost, da dobimo nič ali eno samo, ko preizkusite njeno vrednost. Več qubits uporablja bolj zapletene enačbe,ki se nanašajo na vrednosti kvita kot na posamezne matematične predmete. Rezultat je ena ali več možnih binarnih nizov, katerih končna vrednost je določena s verjetnostmi v enačbah.
Ta čuden matematični pristop - kbiti so enačbe, dokler jih ne izračunate, nato pa so videti spet kot biti, vendar njihove vrednosti lahko vključujejo element naključnosti - omogoča reševanje težav, ki so za računalnike tradicionalno težavne. Eden takšnih izzivov je razkroj velikega števila na preproste številke, ki razbije algoritme, ki se uporabljajo za shranjevanje velikih količin šifriranih podatkov - razvoj, ki je lahko "katastrofalen" za kibernetsko varnost. Prav tako lahko služi kot nov način za obdelavo velikih nizov podatkov, kot so tisti, ki se uporabljajo pri strojnem učenju (kot so napredni sistemi za prepoznavanje obrazov).
Kvantni računalniki še vedno niso nič boljši od običajnih računalnikov. IBM omogoča znanstvenikom in podjetnikom dostop do delujočega 20-kbitnega procesorja, Rigetti pa do 19-kbitnega procesorja, medtem ko tradicionalni superračunalniki lahko simulirajo kvantne moči do 50 kubičev. Kljub temu je fizik John Preskil nedavno napovedal, da tehnologija vstopa v novo obdobje, v katerem bodo kvantni računalniki kmalu uporabni za več kot zabavne fizikalne poskuse. Ameriška vlada kvantne tehnologije jemlje resno zaradi njihovega pomena za kibernetsko varnost, zato mnogi fiziki in programerji iščejo nove niše zanje.
Številni raziskovalci upajo, da bodo našli tudi kvantne računalnike pri razvoju umetne inteligence in strojnega učenja z uporabo kvantnih algoritmov. Takšni algoritmi so zapleteni in vključujejo veliko količino informacij, zato je potrebna kvantna alternativa RAM-u: qRAM.
Promocijski video:
Kvantni RAM ni milijarda bitov, shranjenih v več qubits. Namesto tega je kvantni računalnik način, da svoje kvantne operacije uporabijo na velikih seznamih podatkov, ki jih najdemo pri težavah s strojnim učenjem. Konec koncev je redni pomnilnik z naključnim dostopom sestavljen iz podatkov, potrebnih za zagon programov, in programi do njega dostopajo tako, da navedejo naslove bitov - na enak način lahko dobite vsoto celic tako, da vsakič vtipkate številke (A2 + B2), ročno. Kvantni algoritmi bodo morali dostopati do navadnega pomnilnika naključnega dostopa na kvantni ravni - v najbolj primitivnem smislu ustvarijo superpozicijo, v kateri je celica hkrati A2 in B2, in šele nato, ko je izračun zaključen, pokaže vrednost bodisi A2 bodisi B2. Glede spomina kot takega ni ničesar kvantnega - kvant je način, do katerega dostopate in uporabljate.
V bistvu, če imate veliko shranjenih podatkov - kot na primer v zbirkah podatkov za treniranje chatbotov -, lahko obstaja kvantni algoritem, ki lahko pri iskanju podatkov ali sporočila kaj pomembnega naredi več kot običajni računalnik. … To je lahko zelo donosno tako za finančno industrijo kot za podjetja, kot je Google, in seveda bo potreboval kvantni RAM.
Članek o QRAM-u, ki sta ga pred desetimi leti napisal Lloyd in njegova ekipa, je opisal en način dostopa do samo tistih naslovov v pomnilniku, potrebnih za superpozicijo, pri čemer so uporabili nekaj, čemur pravijo "kvantna požarna veriga". Ker je vsak naslov v RAM-u le zaporedje bitov, ga lahko razumemo kot razvejano drevo, v katerem je vsak kbit kazalec, ki računalniku sporoča, da mora zaviti levo ali desno. To sicer deluje tudi v običajnih računalnikih, toda kvantni računalnik z le dvema izbirama bo na vsakem koraku neizogibno zapletel dodatne poti, kar bo končno vodilo do neverjetno velikega in krhkega kvantnega stanja, ki se zlahka zruši v nekvančnem okolju. Lloyd in njegovi sodelavci so predlagali drevesno strukturo,v katerem se vsaka veja samodejno zadrži v stanju pripravljenosti, kar omogoča, da se računalnik premika samo po desni ali levi veji (strani) za dostop do želenega pomnilnika, ne da bi zapletel nepotrebne podatke. Razlika je precej tehnične narave, vendar je zasnovana tako, da znatno zmanjša moč, potrebno za reševanje tovrstnih težav pri strojnem učenju.
"Večina algoritmov, uporabljenih v raziskavah, zahteva nekakšen kvantni pomnilnik," je za Gizmodo komentirala Michelle Mosca, znanstvenica z univerze v Waterlou v Kanadi, ki je raziskovala tudi kvantni pomnilnik. "Vse, kar zmanjša stroške uporabnega kvantnega RAM-a, lahko tudi drastično skrajša čas pred pojavom vsakdanjih kvantnih računalnikov."
Toda še vedno smo na zelo zelo zgodnji stopnji razvoja kvantnega programiranja. Danes se način, kako stari računalniki zapomnijo informacije, zdi skoraj smešen. RAM je bil sestavljen iz magnetnih zank, povezanih z žicami, kjer je vsaka zanka ustrezala enemu bitju, orientacija magnetnega polja v tuljavi pa je pomenila njen pomen. Prvi komercialni ameriški računalnik UNIVAC-I je bil znan po shranjevanju podatkov s pretvorbo električnih impulzov v zvočne valove z uporabo tekočega živega srebra. Ta pomnilnik ni imel naključnega dostopa - kadar koli niste mogli dobiti nobenih podatkov, ampak le v vrstnem redu, v katerem so bili shranjeni. In veljalo je za vrhunsko tehnologijo.
"To je bilo umetniško delo," je pojasnil Chris Garcia, kustos muzeja računalniške zgodovine. "Takrat so poskusili vse, kar so lahko, in upali, da bo nekaj uspelo." Takšne rešitve so bile takrat boljše od vseh prejšnjih. Danes računalniki shranjujejo pomnilnik na mikročipe, narejene iz posebnega materiala, imenovanega polprevodniki, kar je postalo mogoče ne le zaradi napredka znanosti, ampak tudi zaradi procesov, zaradi katerih je shranjevanje silicija veliko cenejše kot shranjevanje iz drobnih magnetnih tuljav.
Kako bo izgledal kvantni spomin? Najverjetneje ne tako, kot sta si zamislila Lloyd in sodelavci. Na lanski konferenci so se fiziki šalili, da se lahko področje kvantnega računalništva obrne na še en analog kadi tekočega živega srebra. Zagotovo bomo imeli nov tehnološki in matematični napredek, ki bo optimiziral računalnike in njihove načine shranjevanja informacij.
Lloyd se je s tem strinjal. "Rad bi videl, da nekdo širi našo idejo," je dejal. "Če bi lahko navadne informacije prevedli v kvantno stanje, bi bila to kratka doba neverjetna uporaba kvantnih računalnikov." Navsezadnje so računalniki približno več kot le njihova sposobnost izvajanja domišljijskih algoritmov. Ti algoritmi omogočajo uporabo in obdelavo podatkov za ustvarjanje nečesa koristnega.
In morda bomo nekega dne res uporabili kvantni Google.
Ryan F. Mandelbaum