Что известно об эффективности надежных вычислений?

14

Насколько хорошо была исследована следующая проблема в TCS? (Я извиняюсь, если постановка проблемы звучит расплывчато!)

При наличии модели вычислений MC (машина Тьюринга, сотовые автоматы, машина Колмогорова-Успенского ... и т. Д.) И модели шума, которая может повлиять на вычисление MC, существует ли способ восстановления после ошибок, вызванных этим шумом в эффективный способ? Например, скажем, какой-то тип шума влияет на машину Тьюринга M, можно ли разработать машину Тьюринга M ', которая имитирует M без больших затрат и является надежной (что означает, что M' терпимо относится к этому шуму)?

Кажется, что некоторые модели вычислений лучше, чем другие, делают это: например, сотовые автоматы. Есть ли какие-либо результаты, если шум заменяется моделью противника?

Извините за тег! У меня недостаточно репутации, чтобы поставить подходящий тег (надежные вычисления, отказоустойчивые вычисления ... и т. Д.)

user2471
источник
5
Я думаю, что вы по существу спрашиваете, что делается в области отказоустойчивых вычислений.
Цуёси Ито

Ответы:

14

Хотя существуют некоторые методы, которые можно применять к отказоустойчивости для всех моделей, степень устойчивости вычислительной модели к отказоустойчивости зависит от модели. Например, Питер Гакс провел немало исследований по отказоустойчивости клеточных автоматов, и он показывает, что (с большой работой) вы можете создать отказоустойчивые клеточные автоматы.

Фон Нейман доказал, что, используя избыточность, вы можете построить надежный компьютер из ненадежных компонентов, используя только логарифмические издержки.

журналсNс

Питер Шор
источник
Спасибо, Питер! Я думаю, что Gacs удалось построить чрезвычайно сложный случай в 1-мерном измерении, который демонстрирует отказоустойчивость (см. Cs.bu.edu/faculty/gacs/papers/long-ca-ms.pdf ). Что касается фон Неймана, это логарифмические накладные расходы на количество компонентов или проводов в каждом компоненте?
user2471
Для фон Неймана вы должны быть в состоянии устроить это в любом случае. Я полагаю, что он на самом деле говорил о количестве компонентов, хотя. Для одномерного результата Gacs он демонстрирует некоторые аспекты отказоустойчивости, но я бы не назвал это реальной отказоустойчивостью.
Питер Шор
Почему бы вам не назвать Gacs одномерный пример отказоустойчивым?
user2471
Я, наверное, оговорился. 1-мерный пример Gacs способен запомнить один бит. Это может быть отказоустойчивая память, но это не отказоустойчивое вычисление. Кроме того, если я правильно помню, этот 1 бит на самом деле не остается на том же месте в примере Gacs, но кодируется постоянно увеличивающимся числом ячеек.
Питер Шор
Я могу ошибаться, но не использует ли Gac какое-то время вычислений для закодированных данных (без необходимости каждый раз декодировать / кодировать)? ref cs.bu.edu/faculty/gacs/papers/long-ca-ms.pdf раздел 5.2 Хранение информации и вычисление в различных измерениях
user2471
2

Я думаю, что работа, связанная с самостабилизацией , близка духу вашего вопроса.

Самостабилизирующаяся система восстанавливается от любого повреждения оперативной памяти.

Юкка Суомела
источник
2

Заданный вопрос звучит так: «Существует ли способ эффективного устранения ошибок, вызванных [квантовым] шумом?» и ответ Питера Шора превосходно охватывает один эффективный способ ответить на этот вопрос, а именно, путем создания отказоустойчивых квантовых компьютеров.

Альтернативный эффективный способ очень часто встречается в инженерной практике. Мы рассуждаем: «Если шум достаточно велик, и квантовые вычисления не осуществимы, то, возможно, динамику системы можно смоделировать с помощью классических ресурсов в P.»

Другими словами, часто мы можем «эффективно восстанавливаться» от шума, признавая, что шум предоставляет нам важную услугу, экспоненциально уменьшая вычислительную сложность моделирования как классических, так и квантовых систем.

Литература по шумо-ориентированным подходам к динамическому моделированию обширна и продолжает расти; недавняя ссылка, теоремы которой физически мотивированы и приятно строгие, и которая включает в себя множество ссылок на более широкую литературу, - это верхние границы Пленио и Вирмани по порогам отказоустойчивости шумных квантовых компьютеров на базе Клиффорда (arXiv: 0810.4340v1).

Классические динамики используют совершенно другой язык, в котором шумовые механизмы носят техническое название термостатов ; Понимание молекулярного моделирования Френкелем и Смитом : от алгоритмов к приложениям (1996) дает базовое математическое введение.

Когда мы переписываем классические и квантовые термостаты на язык геометрической динамики, мы обнаруживаем (неудивительно), что классические и квантовые методы использования шума для повышения эффективности моделирования по существу идентичны; то, что их соответствующие литературы так редко ссылаются друг на друга, во многом является исторической случайностью, которая поддерживалась нотационными препятствиями.

Менее строго, но в более общем плане, приведенные выше результаты освещают происхождение в квантовой теории информации эвристического правила, широко распространенного среди химиков, физиков и биологов, что любая классическая или квантовая система, которая находится в динамическом контакте с термостатом, может доказать возможность моделирования с вычислительными ресурсами в P для всех практических целей (FAPP).

Исключения из этой эвристики, как классической, так и квантовой, представляют собой важные открытые проблемы. Их число поразительно уменьшается с каждым годом; Двухлетняя Критическая Оценка Прогнозирования Структуры (CASP) обеспечивает одну объективную меру этого улучшения.

Фундаментальные ограничения этого многолетнего прогресса в области моделирования, обусловленного шумом, более чем известны, в настоящее время недостаточно известны. Излишне говорить, что в долгосрочной перспективе наше неуклонное улучшение понимания этих пределов приблизит нас к созданию квантовых компьютеров, в то время как в краткосрочной перспективе это знание очень поможет нам эффективно моделировать системы, которые не являются квантовыми компьютерами. В любом случае, это хорошие новости.

Джон Сидлес
источник
1

Модели квантовых вычислений явно имеют дело с шумом и способами обеспечения устойчивости вычислений к ошибкам, вносимым этим вектором. Любопытно, что квантовые вычисления могут выполняться как вперед, так и назад (по природе преобразований К. М. Адамара и независимости гамильтониана от времени) - «некомпьютерные вычисления» - это одна из техник, используемых для предотвращения таких ошибок.

На «настоящих» компьютерах - серверах Enterprise - есть небольшая, но реальная вероятность того, что часть оперативной памяти будет прочитана неправильно. Теория обнаружения ошибок и исправления кодов может применяться на уровне машинного слова для обнаружения и исправления таких 1-битных ошибок (без значительных накладных расходов). И на самом деле многие корпоративные серверы, которые выполняют критические операции, запрашивают небольшой бит четности для каждого слова ОЗУ.

Хотя это далеко не доказательство, мне кажется, что стандартные схемы кодирования с исправлением ошибок можно было бы заставить работать практически с любыми теоретическими автоматами (предположительно, клеточные автоматы) только с полиномиальным (на самом деле линейным?) Замедлением.

Росс Снайдер
источник
Определенно существуют модели вычислений, в которых произвольное исправление ошибок невозможно (т. е. теорема отказоустойчивости не может быть доказана). Разве это не причина, по которой мы редко изучаем аналоговые компьютеры?
Артем Казнатчеев
5
Аналоговые компьютеры вполне способны к отказоустойчивым вычислениям, но, насколько я знаю, только путем моделирования цифровых компьютеров (или вы думаете, что в вашем компьютере есть реальные биты, а не электроны и напряжения?).
Питер Шор
Позвольте мне добавить оговорку к моему предыдущему комментарию. Я уверен, что возможно создать ограниченную модель аналоговых вычислений, где отказоустойчивость невозможна, поэтому у Артема действительно есть хорошее замечание относительно отказоустойчивости, которая не применима ко всем моделям вычислений.
Питер Шор
1
Как на классическом, так и на квантовом уровне, ни один компьютерный дизайн не является отказоустойчивым по отношению ко всем классам шума, неточности и нестабильности. Кроме того, история технологии предоставляет множество примеров, в которых природные механизмы шума были недооценены; 56-позиционный «Список плазменных нестабильностей», размещенный в Википедии, представляет собой сводку на одну страницу о том, почему дорожные карты по термоядерной энергии с 1950-х по 1990-е годы не оправдались. Поскольку классические и квантовые архитектуры вычислений сливаются в ближайшие десятилетия, будет очень интересно наблюдать, как растет список известных механизмов шума, неточности и нестабильности.
Джон Сайдлес