Влияние квантового превосходства Google на науку о данных
Предварительное условие: знать о квантовом превосходстве Google
В этой статье мы обсудим, каковы преимущества заявления Google Quantum Supremacy и какие проблемы могут быть решены с его помощью, тем временем мы также обсудим нашу роль ученого в области квантовых вычислений и их место в этой полной головоломке. . Итак, приступим к статье. Первый вопрос, на который нам нужен ответ:
Почему это так важно?
1. Моделирование химических процессов: создание чудесных материалов. Возьмите простую молекулу кофеина. В нем около 248 штатов. Мы знаем, что сегодня мы не можем понять даже базовую структуру молекул с помощью классических вычислений. Мы можем использовать квантовый компьютер для моделирования квантовой системы. Это не только поможет нам понять, но и смоделировать и даже манипулировать процессом, чтобы получить новый материал, который, скажем так, легкий и неразрушимый одновременно, или выбор молекул для создания органических батарей, или мы могли бы создать лекарства, которые могли бы вылечить рак или все, что позволяет нам творить наше воображение.
2. Создание полупроводников при комнатной температуре. Для работы квантовых компьютеров необходимы сверхпроводники, которые должны поддерживаться при чрезвычайно низких температурах (15 милКельвинов), но если квантовый компьютер может создавать сверхпроводники при комнатной температуре, мы все знаем, что это значит. Что ж, это означает, что вы могли бы просто подарить своему сыну квантовый компьютер на его день рождения.
3. Решение некоторых трудноразрешимых проблем. Подумайте о нейронных сетях и растущем пространстве характеризации с использованием квантовых вычислений для финансового моделирования и оптимизации маршрутов и логистики, таких как проблема TSP, которая считается непреодолимой.
Основные проблемы
Эти кубиты подвержены ошибкам. Ошибки, вызванные распадом кубитов и потерей хранящейся на них информации, а также для того, чтобы сделать так называемый логический кубит более согласованным, требуются сотни и тысячи физических кубитов, ошибки которых взаимно компенсируются. А квантовый компьютер, способный взламывать шифрование, потребует тысячи логических кубитов. В прошлый раз я проверил, что нам доступно около 72 физических кубитов, и этот компьютер был довольно нестабильным.
Другой проблемой является условие изоляции системы, в которой эти кубиты нуждаются в сверхпроводниках для работы, а сверхпроводники должны поддерживаться на уровне 15 милликельвинов, чтобы работать как сверхпроводник, и, таким образом, гигантский квантовый компьютер, который вы обычно видите, в основном предназначен для поддержания этой температуры и отправки Микроволновые импульсы некоторые настраивают, что является очень сложной задачей.
Где в игру вступают машинное обучение и искусственный интеллект?
Квантовые устройства можно использовать для ускорения машинного обучения. Текущая квантовая технология больше похожа на специализированное оборудование, такое как ASCI, чем на универсальный ЦП. Они жестко запрограммированы на реализацию ограниченного класса квантовых алгоритмов. Более продвинутые устройства могут быть запрограммированы для работы с простыми квантовыми схемами, такими как FGPA. Мы знаем, что и ASCI, и FPGA предлагают преимущества в машинном обучении, а также GPU, CPU и TPU. Следовательно, теоретически можно добавить квант к этой комбинации специализированного оборудования искусственного интеллекта, чтобы помочь нам продвинуться в борьбе с AGI, создав совершенно новый инструмент машинного обучения. Точно так же, как графические процессоры способствовали возрождению глубокого обучения около десяти лет назад.
Некоторые задачи, которые можно использовать для машинного обучения с помощью этой удивительной системы:
- Линейная алгебра: одним из узких мест при решении линейных алгебраических уравнений является кодирование данных. Для использования квантового компьютера в качестве своего рода сверхбыстрого решателя линейной алгебры для больших умножений матриц и собственных разложений (в отличие от TPU) мы должны сначала «загрузить» большую матрицу в квантовое устройство, что является весьма нетривиальной процедурой, хотя квантовый вентиль выполняет умножение экспоненциально - или даже бесконечно. Вычисления сложной линейной алгебры, а именно вычисления, соответствующие квантовым вентилям, могут быть выполнены за одну операцию на квантовом компьютере. Таким образом, мы рассматриваем квантовые ворота как высокоструктурированный линейный слой нейронной сети.
- Предложена оптимизация гибридной квантово-классической техники вариационных схем. Там квантовое устройство используется для оценки функции стоимости, которую трудно вычислить, а классическое устройство выполняет оптимизацию на основе этой информации.
- Каждый квантовый компьютер отбор проб - это, по сути, пробоотборник, который начинается с простого распределения вероятностей по всем возможным результатам измерения, вычисляет более сложное распределение и производит выборку результата посредством измерения. Поэтому квантовые устройства являются интересными помощниками для обучения на основе выборки, например, с машинами Больцмана. Короче говоря, очень многообещающим направлением является изучение того, как образцы из квантовых устройств могут быть использованы для обучения моделей машинного обучения.
- Оценка ядра: идея «квантовых ядер» состоит в том, чтобы использовать квантовое устройство только для вычисления ядер точек данных, оценивая внутренний продукт двух квантовых состояний очень высокой размерности. Затем оценки ядра можно передать в классическую модель машинного обучения для обучения и прогнозирования. Другими словами, оценки квантового компьютера могут быть переданы в стандартный метод ядра, например в машину опорных векторов. Вывод и обучение выполняются чисто классически, но дополнены квантовым устройством специального назначения. Квантовые устройства можно использовать для оценки определенных ядер, в том числе тех, которые трудно вычислить классическим способом. Его можно использовать для определения ядра, выборки и в целях оптимизации.
Вот что Сундар Пичай сказал о совместной работе ИИ и квантовых вычислений в эксклюзивном интервью MIT Technology Review: «Я думаю, что это будет очень мощный симбиотик. Оба месторождения находятся на начальной стадии. В искусственном интеллекте есть увлекательная работа с точки зрения создания более крупных моделей, более обобщаемых моделей и того, какие вычислительные ресурсы вам понадобятся для этого. Мы думаем, что ИИ может ускорить квантовые вычисления, а квантовые вычисления могут ускорить ИИ. И все вместе мы думаем, что это то, что нам понадобится, чтобы в будущем решить некоторые из самых трудноразрешимых проблем, с которыми мы сталкиваемся, например, изменение климата ».
Понятия:
- Люди говорят, что блокчейн будет уничтожен, а безопасность станет мифом. Что ж, это не совсем так. Я допускаю, что некоторые из широко используемых алгоритмов можно взломать, но есть и другие алгоритмы (квантовый алгоритм), которые можно использовать для правильного шифрования данных, на которых даже квантовый компьютер не причинит вреда. Так что вы, ребята, в безопасности, пока есть люди, которые реализуют эти алгоритмы.
- Также существует мнение, что квантовое превосходство - это начало конца, поскольку мы легко сможем разработать ИИ общего назначения. Что ж, нам еще несколько лет до создания ГАИ, даже если мы будем считать, что все проблемы, с которыми сталкивается квантовый компьютер, решены, и эта область требует исследований сама по себе. Квантовый компьютер может ускорить процесс довольно быстро, но до общей цели ИИ еще несколько десятилетий.
Возможности?
Компания, стремящаяся найти идеальный маршрут для розничных поставок, могла бы разделить проблему на две части и использовать каждый компьютер в силу его сильных сторон. Как специалист по данным, мы можем взглянуть на некоторые алгоритмы и внести в них свой вклад. Возможности практически безграничны.
TL; DR Квантовые вычисления можно использовать для решения проблемы, которая искренне требует их внимания. То есть большой парень должен иметь дело только с худшими проблемами, а тривиальные проблемы должны решаться классическими вычислительными методами. Это означает, что квантовый компьютер никогда не заменит классические компьютеры, а будет работать бок о бок с ними и будет способствовать улучшению нашей жизни, решая проблемы, которые до сих пор считались необъяснимыми.