In 2012 stelde natuurkundige Seth Lloyd, zittend in een heet zwembad, een quantum-internettoepassing voor aan de makers van Google, Sergey Brin en Larry Page. Hij noemde het Quoogle: een zoekmachine die wiskunde gebruikt op basis van de fysica van subatomaire deeltjes en resultaten laat zien zonder de zoekopdrachten zelf te kennen. Zo'n sprong zou een volledig nieuw type geheugen vereisen - het zogenaamde QAMM, of quantum random access memory.
Hoewel Brin en Page het idee intrigeerden, lieten ze het varen, vertelde Lloyd aan "Gizmodo". Volgens hem herinnerden ze hem eraan dat hun bedrijfsmodel erop is gebaseerd alles over iedereen te weten.
Maar KOSU, als idee, stierf niet. Moderne computers onthouden informatie in miljarden bits, binaire cijfers gelijk aan nul of één. RAM, of willekeurig toegankelijk geheugen, slaat informatie voor een korte tijd op siliciumchips op, waarbij aan elk stukje informatie een specifiek adres wordt toegewezen, dat willekeurig en in elke volgorde kan worden benaderd om later naar die informatie te verwijzen. Dit maakt de computer veel sneller, waardoor uw laptop of mobiele telefoon onmiddellijk toegang heeft tot de gegevens die zijn opgeslagen in RAM, vaak gebruikt door applicaties, in plaats van ernaar te zoeken in de opslag, wat veel langzamer is. Maar ergens in de toekomst kunnen computerprocessors worden vervangen of uitgebreid door kwantumcomputerprocessors, machines die in staat zijn om gigantische databases in te bedden.machine learning en kunstmatige intelligentie. Kwantumcomputers zijn nog een prille technologie, maar als ze ooit in staat zullen zijn om deze potentieel lucratieve algoritmen uit te voeren, hebben ze een geheel nieuwe manier nodig om toegang te krijgen tot RAM. Ze hebben een LICHAAM nodig.
"KRAM kan een geweldige applicatie zijn die kwantumapparaten van Google en IBM direct bruikbaar maakt", vertelde Lloyd aan Gizmodo.
Klassieke computers zoals de ThinkPad, Iphone en de krachtigste supercomputers voeren al hun bewerkingen uit door gegevens te vertalen in een of meer combinaties van bits, nullen en enen. Bits werken met elkaar samen en produceren uiteindelijk een andere combinatie van nullen en enen. Kwantumcomputers produceren ook het eindresultaat in de vorm van enen en nullen. Maar naarmate het tellen vordert, communiceren hun kwantumbits of qubits op een nieuwe manier met elkaar, via dezelfde natuurkundige wetten die elektronen beheersen. In plaats van alleen nul of één te zijn, kan elke qubit beide zijn bij het tellen, met behulp van een wiskundige vergelijking die de kans op nul of één versleutelt wanneer je de waarde test. Verschillende qubits gebruiken meer complexe vergelijkingen,die verwijzen naar qubit-waarden als enkele wiskundige objecten. Het resultaat is een of meer mogelijke binaire strings, waarvan de uiteindelijke waarde wordt bepaald door de waarschijnlijkheden in de vergelijkingen.
Deze rare wiskundige benadering - qubits zijn vergelijkingen totdat je ze berekent, en dan zien ze er weer uit als bits, maar hun waarden kunnen een element van willekeur bevatten - stelt je in staat problemen op te lossen die traditioneel moeilijk waren voor computers. Een van die uitdagingen is de opsplitsing van grote getallen in priemgetallen, waardoor de algoritmen die worden gebruikt om grote hoeveelheden versleutelde gegevens op te slaan, worden verbroken - een ontwikkeling die "catastrofaal" kan zijn voor cyberbeveiliging. Het kan ook dienen als een nieuwe manier om grote datasets te verwerken, zoals die gebruikt worden bij machine learning (zoals geavanceerde gezichtsherkenningssystemen).
Kwantumcomputers zijn nog steeds niet beter dan conventionele computers. IBM geeft wetenschappers en ondernemers toegang tot een werkende 20-qubit-processor, en Rigetti tot een 19-qubit-processor, terwijl traditionele supercomputers kwantumvermogens tot 50 qubits kunnen simuleren. Desondanks kondigde natuurkundige John Preskil onlangs aan dat technologie een nieuw tijdperk ingaat waarin kwantumcomputers binnenkort nuttig zullen zijn voor meer dan alleen onderhoudende natuurkundige experimenten. De Amerikaanse regering neemt kwantumtechnologieën serieus vanwege hun belang voor cybersecurity, en veel natuurkundigen en programmeurs zijn op zoek naar nieuwe niches voor hen.
Veel onderzoekers hopen ook toepassingen te vinden voor kwantumcomputers bij de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie en machine learning met behulp van kwantumalgoritmen. Dergelijke algoritmen zijn complex en bevatten een aanzienlijke hoeveelheid informatie, waardoor een kwantumalternatief voor RAM vereist is: qRAM.
Promotie video:
Quantum RAM bestaat niet uit miljarden bits die in meerdere qubits zijn opgeslagen. Het is eerder een manier voor kwantumcomputers om hun kwantumbewerkingen toe te passen op grote lijsten met gegevens die worden gevonden in machine learning-problemen. Uiteindelijk bestaat het normale RAM uit gegevens die programma's moeten uitvoeren, en programma's hebben er toegang toe door het adres van de bits op te geven - op dezelfde manier kun je de som van cellen krijgen door (A2 + B2) te typen in plaats van elke keer getallen te typen. handmatig. Kwantumalgoritmen zullen toegang moeten hebben tot gewoon willekeurig toegankelijk geheugen op kwantumniveau - in de meest primitieve zin creëren ze een superpositie waarin de cel tegelijkertijd A2 en B2 is, en pas dan, nadat de berekening is voltooid, wordt de waarde van A2 of B2 weergegeven. Er is niets kwantum aan geheugen als zodanig - kwantum is de manier waarop je het benadert en gebruikt.
Als je veel gegevens hebt opgeslagen - zoals bijvoorbeeld in databases voor het trainen van chatbots - dan kan er een kwantumalgoritme zijn dat meer kan dan een gewone computer als het gaat om het doorzoeken van gegevens of een bericht van iets belangrijks. … Dit kan zeer lucratief zijn voor zowel de financiële sector als voor bedrijven als Google, en het vereist natuurlijk kwantum RAM.
Een artikel over QRAM, geschreven door Lloyd en zijn team tien jaar geleden, beschreef een manier om alleen toegang te krijgen tot die adressen in het geheugen die nodig zijn voor superpositie, met behulp van iets dat ze de "kwantumvuurketen" noemden. Omdat elk adres in RAM slechts een reeks bits is, kan het in feite worden gezien als een vertakkende boom, waarin elke qubit een aanwijzer is die de computer vertelt om naar links of rechts te draaien. Dit werkt ook in conventionele computers, maar een kwantumcomputer met slechts twee keuzes zal onvermijdelijk bij elke bocht extra paden verstrengelen, wat uiteindelijk leidt tot een ongelooflijk grote en kwetsbare kwantumtoestand die gemakkelijk kan desintegreren in een niet-kwantumomgeving. Lloyd en zijn collega's stelden een boomstructuur voor,waarin elke tak automatisch in de standby-modus wordt gehouden, waardoor de computer alleen naar de rechter of linker tak (zijkant) kan bewegen om toegang te krijgen tot het gewenste geheugen zonder onnodige informatie te verwarren. Het verschil is vrij technisch van aard, maar het is ontworpen om het vermogen dat nodig is om dit soort problemen bij machine learning op te lossen, aanzienlijk te verminderen.
"De meeste algoritmen die in onderzoek worden gebruikt, vereisen een soort kwantumgeheugen", zegt Michelle Mosca, een wetenschapper aan de Universiteit van Waterloo in Canada die ook onderzoek deed naar kwantumgeheugen voor Gizmodo. "Alles wat de kosten van toegepaste kwantum-RAM vermindert, kan ook de tijd vóór de komst van alledaagse kwantumcomputers drastisch verminderen."
Maar we bevinden ons nog in een heel, heel vroeg stadium in de ontwikkeling van kwantumprogrammering. Tegenwoordig lijkt de manier waarop oude computers informatie onthouden bijna belachelijk. RAM bestond uit magnetische lussen verbonden door draden, waarbij elke lus overeenkwam met één bit, en de oriëntatie van het magnetische veld in de spoel de betekenis ervan vertegenwoordigde. De eerste in de handel verkrijgbare Amerikaanse computer, UNIVAC-I, stond erom bekend gegevens op te slaan door elektrische impulsen om te zetten in geluidsgolven met behulp van vloeibaar kwik. Dat geheugen had geen willekeurige toegang - je kon op geen enkel moment alle gewenste gegevens krijgen, maar alleen in de volgorde waarin ze waren opgeslagen. En het werd beschouwd als geavanceerde technologie.
"Het was een kunstwerk", legt Chris Garcia, conservator van het Computer History Museum, uit. "In die tijd probeerden ze alles wat ze konden en hoopten dat een deel ervan zou werken." In die tijd waren dergelijke oplossingen superieur aan alle voorgaande. Tegenwoordig slaan computers geheugen op op microchips die zijn gemaakt van een speciaal materiaal, halfgeleiders genaamd, wat niet alleen mogelijk werd dankzij de vooruitgang in de wetenschap, maar ook dankzij de processen die opslag van silicium veel goedkoper maakten dan opslag van kleine magneetspoelen.
Hoe ziet het kwantumgeheugen eruit? Waarschijnlijk niet zoals Lloyd en collega's het zich hadden voorgesteld. Tijdens de conferentie van vorig jaar maakten natuurkundigen grapjes dat het gebied van kwantumcomputers mogelijk overgaat tot een ander analoog van vaten met vloeibaar kwik. We zullen ongetwijfeld nieuwe technologische en wiskundige ontwikkelingen hebben die computers en hun methoden voor het opslaan van informatie zullen optimaliseren.
Lloyd was het hiermee eens. "Ik zou graag zien dat iemand ons idee verspreidt", zei hij. "Als we gewone informatie in een kwantumtoestand zouden kunnen vertalen, zou dit op korte termijn een geweldige toepassing van kwantumcomputers zijn." Computers zijn tenslotte meer dan alleen hun vermogen om fraaie algoritmen uit te voeren. Ze zorgen ervoor dat deze algoritmen kunnen worden gebruikt om gegevens te verwerken en te ordenen om iets nuttigs te creëren.
En misschien zullen we ooit echt quantum Google gebruiken.
Ryan F. Mandelbaum