Применим ли закон Мура к квантовым вычислениям?

Легко и просто. Применяется ли закон Мура к квантовым вычислениям, или он похож, но с поправленными числами (например, утраивается каждые 2 года). Кроме того, если закон Мура не применяется, почему кубиты меняют его?

Если вы берете в качестве определения « число транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года », это определенно не применимо: как здесь дан ответ в «Соответствуют ли« фундаментальные элементы схемы »квантовым технологиям? в квантовом компьютере не существует транзисторов как фундаментальных компонентов (и не существует фундаментально параллельных транзисторам).

Если вы возьмете более общее определение « производительность микросхемы удваивается примерно каждые 18 месяцев », этот вопрос имеет больше смысла, и ответ по-прежнему не применим , главным образом потому, что закон Мура не является фундаментальным законом Скорее, на ранних стадиях это было наблюдение за устойчивой индустрией. Позже, как указано в комментарии, [1] он был описан как функционирующий как « развивающаяся цель » и как « самоисполняющееся пророчество » для той же отрасли.

Ключевым моментом является то, что у нас нет стабильной индустрии по производству квантовых компьютеров. Мы не находимся в квантовом эквиваленте с 1965 года. Возможно, мы будем двигаться быстрее, но во многих отношениях мы скорее в XVII-XVIII веках. Для перспективы, проверьте этот график компьютерного оборудования до 1950 года .

Для более продуктивного ответа, есть несколько фундаментальных различий и несколько возможных параллелей между классическим и квантовым оборудованием в контексте закона Мура:

• Для многих архитектур в определенном смысле мы уже работаем с наименьшим возможным компонентом. Хотя мы можем разработать ионные ловушки (фиксированного размера), подходящие для большего числа ионов, но мы не можем разработать меньшие ионы: они имеют атомный размер.
• Даже когда мы можем придумать трюки, такие как три адресуемых спиновых кубита в молекулярном одноионном магните , они все еще фундаментально ограничены квантовой механикой. Нам нужно контролировать 8 уровней энергии, чтобы контролировать 3 кубита ( ), что выполнимо, но не масштабируемо.$2^n$
• Именно потому, что проблема масштабируемости является одной из самых сложных проблем, с которыми мы сталкиваемся на квантовых компьютерах - не только с большим количеством кубитов, но и с возможностью их запутывать - опасно экстраполировать на текущий прогресс. Смотрите для иллюстрации историю квантовых компьютеров ЯМР , которая остановилась после очень ранней череды успехов. Теоретически увеличение числа кубитов в устройстве было тривиальным. На практике, каждый раз, когда вы хотите иметь возможность контролировать еще 1 кубит, вам нужно удваивать разрешение вашей машины, что очень быстро становится невозможным.
• Если и когда существует индустрия, которая опирается на развивающуюся технологию, способную производить какие-то интегрированные квантовые чипы, то да, в этот момент мы сможем провести реальную параллель с законом Мура. Чтобы узнать, как далеко мы от этого момента, см. Есть ли какие-либо оценки того, как сложность квантовой инженерии зависит от размера?

[1] Благодарю Себастьяна Маха за это понимание и ссылку на Википедию . Для получения более подробной информации см. « Совместное использование новых технологий: исследования по созданию социотехнического порядка» под редакцией Корнелис Диско, Баренд ван дер Мейлен, с. 206 и Гордон Мур говорит алоха закону Мура .

tl; dr - закон Мура не обязательно применим к индустрии квантовых вычислений. Решающим фактором может быть, если производственные процессы могут быть итеративно улучшены, чтобы экспоненциально увеличить что-то аналогичное количеству транзисторов или примерно пропорциональное производительности.

Справочная информация: закон Мура и почему он работает

Важно отметить, что закон Мура касался количества транзисторов в интегральных микросхемах высокой плотности, а не производительности или скорости электроники, несмотря на общие приблизительные повторения закона Мура.

Закон Мура заключается в том, что число транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года.

- "Закон Мура" , Википедия

Объем транзистора уменьшается вдвое примерно каждые два года.

Тогда возникает вопрос, почему транзисторы могли сжиматься так быстро?

Во многом это было связано с тем, что транзисторы в основном сделаны из микроскопически изготовленных проводов в интегральной схеме, и по мере развития технологии производства мы смогли изготавливать все меньшие и меньшие провода:

     ,

Процесс изготовления сумасшедших маленьких проводов в интегральной схеме потребовал большого количества научно-исследовательских ноу-хау, поэтому в промышленности люди в основном намеревались итеративно улучшать свои процессы изготовления с такой скоростью, чтобы поддерживать закон Мура.

Тем не менее, закон Мура в настоящее время в основном закончился. Наши производственные процессы приближаются к атомному масштабу, так что физика ситуации меняется, поэтому мы не можем продолжать сокращаться дальше.

Может ли закон Мура работать на квантовые компоненты?

Как отмечалось выше, закон Мура в основном заканчивается. Компьютеры, скорее всего, будут набирать скорость из-за других достижений, но в настоящее время мы не планируем создавать субатомные транзисторы. Таким образом, несмотря на сильное желание отрасли поддерживать его, это маловероятно.

Если мы предположим подобное поведение в будущей индустрии квантовых вычислений, то мы можем предположить, что может возникнуть что-то вроде закона Мура, если отрасль окажется в аналогичном положении, где она может итеративно улучшить процесс производства компонентов, чтобы экспоненциально увеличить их количество (или какая-то похожая метрика).

В настоящее время неясно, что производители базовых промышленных метрических квантовых компьютеров могли бы итеративно улучшаться в течение десятилетий, чтобы воссоздать тенденцию, подобную закону Мура, в значительной степени потому, что неясно, какой вид архитектуры архитектур квантовых вычислений может найти широкое распространение, как современные интегральные схемы.

Первое, что нужно понять о законе Мура, это то, что он не является законом в абсолютном смысле, математически доказуемым или даже постулируемым (как закон физики). На самом деле, это было просто практическое правило, согласно которому число транзисторов в процессоре будет удваиваться каждые x лет. Это можно увидеть по тому, как значение x менялось с течением времени. Первоначально это было х = 1, затем оно стало х = 2, затем изменилось то, к чему оно было применено (скорость процессора). Это оказалось полезным эмпирическим правилом, отчасти потому, что именно эмпирическое правило использовалось для установки целевых показателей для новых поколений процессоров.

Таким образом, нет абсолютно никаких причин, по которым закон Мура должен применяться к квантовым компьютерам, но было бы разумно предположить, что после некоторого базового порога числа кубитов будут удваиваться каждые y лет. Для большинства реализаций квантовых вычислений у нас еще недостаточно точек данных, чтобы начать экстраполяцию оценки для значения y. Некоторые могут возразить, что пока неясно, находимся ли мы в эру квантовых вычислений «вакуумной трубки» или «транзистора» (закон Мура не начинался до эры транзисторов).

Мы могли бы начать пробовать и экстраполировать для некоторых систем. Например, D-wave имеет историю удвоения размеров своего процессора. Это началось как y = 1, и в настоящее время имеет около y = 2. Конечно, это не универсальное квантовое вычислительное устройство. Следующая лучшая вещь, которую мы могли бы рассмотреть - это квантовый процессор IBM. Через год количество компьютеров, доступных в IBM Quantum, возросло с 5 кубитов до 16, хотя я не думаю, что на этом основании целесообразно экстраполировать.

Легко и просто. Применяется ли закон Мура к квантовым вычислениям, или он похож, но с поправленными числами (например, утраивается каждые 2 года). Кроме того, если закон Мура не применяется, почему кубиты меняют его?

Отличный вопрос, с отличными ответами; Тем не менее, я попробую свои силы в этом.

Нет, большинство квантовых компьютеров не имеют кубитов, созданных в кремнии; даже те немногие, которые делают это, не созданы с помощью компьютерной литографии . Квантовые вычисления находятся на заре своих лет, их нельзя сравнивать напрямую со зрелой технологией совершенно другого рода.

Информация в поддержку этого короткого ответа:

Этот вопрос был задан в физике. SE: « Разумно ли ожидать закон Мура для квантовых вычислений? », Получив один ответ; не особенно хорошо принят (400 просмотров за 144 дня и 1 UpVote).

Некоторые называют его Законом Розы ; после технического директора систем D-Wave. См. Эту статью: « Квантовые вычисления. Закон Роуза - это закон Мура о стероидах » или страница Flickr управляющего директора инвестиционной фирмы Draper Fisher Jurvetson, Стива Джурветсона: « Закон Роуза для квантовых компьютеров ».

Диаграмма немного опережает себя, и она применима к компьютерам с квантовым отжигом , она не совсем сопоставима с универсальными квантовыми вычислениями .

Причина, по которой закон Мура не совсем сопоставим, заключается в том, что он относится к транзисторам и совершенно другому производственному процессу. Вы сравниваете производственный процесс, который был создан в то время, с тем, в котором компьютер находится в его первые дни и по сути изготавливается вручную.

Веб-страница Википедии описывает Закон Мура следующим образом:

«Согласно закону Мура, число транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение названо в честь Гордона Мура, соучредителя Fairchild Semiconductor и Intel, чья статья 1965 года описывала удвоение каждый год в число компонентов на интегральную микросхему и прогнозируемые темпы роста будут продолжаться, по крайней мере, еще одно десятилетие. В 1975 году, с нетерпением ожидая следующего десятилетия, он пересмотрел прогноз удвоения каждые два года. Этот период часто называют 18 месяцами, потому что исполнительного директора Intel Дэвида Хауса, который предсказал, что производительность чипов будет удваиваться каждые 18 месяцев (это сочетание эффекта увеличения числа транзисторов и ускорения транзисторов) ».

Графика Гордона Э. Мура 1965 года выглядела так:

В статье Макса Розера и Ханны Ритчи (2018 г.) « Технологический прогресс », опубликованной на сайте OurWorldInData.org, объясняется, как экспоненциальные уравнения используются для описания всего, исходя из закона Мура, вычислительной мощности (как операций в секунду, так и тактовой частоты * ядер). * темы), прогресс человеческого полета или даже секвенирования ДНК генома человека.

Закон Мура - это наблюдение и проекция исторической тенденции, а не физический или естественный закон . Хотя этот показатель оставался стабильным с 1975 года и до 2012 года, в течение первого десятилетия этот показатель был выше. Ностальгический взгляд на первые дни персональных компьютеров дан в этой функции Ars Technica: « Создание современного ноутбука: глубокий взгляд на литий-ионные аккумуляторы, промышленный дизайн, закон Мура и многое другое ».

В этом сообщении ACM, Vol. 60 № 1 статья: « Экспоненциальные законы вычислительного роста », авторы Деннинг и Льюис, объясняют:

«Как уже отмечалось, три вида экспоненциального роста - удвоение компонентов, скорости и внедрение технологий - все смешаны под заголовком закона Мура. Поскольку первоначальный закон Мура применяется только к компонентам на чипах, а не к системам или семействам технологии, другие явления должны быть в работе. Мы будем использовать термин «закон Мура» для правила удвоения компонентов, предложенного Муром, и «экспоненциальный рост» для всех других показателей производительности, которые изображаются в виде прямых линий на журнальной бумаге. эффект роста? Можем ли мы продолжать ожидать экспоненциального роста вычислительной мощности наших технологий?

Экспоненциальный рост зависит от трех уровней принятия в вычислительной экосистеме (см. Таблицу здесь). Как отмечалось, уровень фишек является сферой закона Мура. Однако более быстрые микросхемы не могут реализовать свой потенциал, если система хост-компьютера не поддерживает более высокие скорости и если рабочие нагрузки приложений не обеспечивают достаточную параллельную вычислительную работу, чтобы поддерживать микросхемы занятыми. И более быстрые системы не смогут реализовать свой потенциал без быстрого принятия сообществом пользователей. Процесс улучшения на всех трех уровнях должен быть экспоненциальным; в противном случае уровень системы или сообщества был бы узким местом, и мы бы не наблюдали эффекты, часто описываемые как закон Мура.

При поддержке математических моделей мы покажем, что делает возможным экспоненциальное удвоение на каждом уровне. Информационные технологии могут быть уникальными, поскольку способны поддерживать экспоненциальный рост на всех трех уровнях. Мы сделаем вывод, что закон Мура и экспоненциальное удвоение имеют научную основу. Более того, экспоненциальный процесс удвоения, вероятно, будет продолжаться в разных технологиях в течение десятилетий.

Самореализация

Постоянное достижение, обозначенное Законом Мура, критически важно для цифровой экономики. Экономист Ричард Г. Андерсон сказал: «Многочисленные исследования выявили причину ускорения производительности для технологических инноваций в производстве полупроводников, которые резко снизили цены на такие компоненты и продукты, которые их содержат (а также расширили возможности таких продукты). "1 Роберт Колвелл, директор отдела технологий микросистем DARPA, повторяет тот же вывод, поэтому DARPA инвестировала средства в преодоление узких мест в технологиях, основанных на законе Мура. Если и когда закон Мура заканчивается, то влияние этого конца на экономика будет глубокой.

Неудивительно, что стандартное объяснение закона является экономическим; оно стало самоисполняющимся пророчеством всех компаний, занимающихся производством микросхем, чтобы подтолкнуть эту технологию к ожидаемому экспоненциальному росту и поддержать свои рынки. Самоисполняющееся пророчество - это предсказание, которое заставляет себя стать правдой. В течение последних 50 с лишним лет работы с компьютерами дизайнеры подчеркивали производительность. Быстрее, тем лучше. Чтобы добиться большей скорости, разработчики микросхем увеличили плотность компонентов, добавив больше регистров, функций более высокого уровня, кэш-памяти и нескольких ядер в одну и ту же область микросхемы и одинаковое рассеяние мощности. Закон Мура стал целью дизайна ».

Закон Мура очень помог, формирование будущего и поддержание роста были целью тех, кому было выгодно; не полностью ограничены технологическими ограничениями. Если потребители хотели чего-то, иногда это было предоставлено, а в других случаях была предложена лучшая идея; то, что было популярным (тактовая частота) продавалось с наценкой, а то, что когда-то не было хорошо понято (больше ядер и потоков), продвигалось как путь вперед.

Закон Мура был хорошо принят, он эволюционировал во многие вещи, такие как « Закон ускоряющегося возвращения » Курцвейла . Вот обновленная версия закона Мура (на основе графика Курцвейла):

Еще один основанный на фактах график представлен диаграммой Top500.Org об экспоненциальном росте мощности суперкомпьютера:

В статье Миссурийского университета науки и технологии: « Прогнозирование технологическими инновациями для потребителей: выбор подходящих моделей диффузии для новых продуктов и услуг перед запуском » объясняется, что модель Басса (модификация логистической кривой ) является надежным методом прогнозирования будущего. рост (на основе прошлой статистики).

Кривая логистики характеризуется медленным стартом, значительным среднесрочным прогрессом, за которым следует возможное замедление; часто заменяется чем-то новым.

При прогнозировании моделей авторы должны были сказать следующее:

" МОДЕЛИ

$m$, Это привело к появлению модели (Bv), которая превзошла все остальные в радикально недорогом инновационном контексте. К сожалению, в этом контексте было только одно новшество - рекомендуется провести дополнительные исследования, чтобы проверить жизнеспособность этого варианта с большим количеством наборов данных в различных контекстах.

Модель Simple Logistic является одной из старейших диффузионных моделей. Это очень базовая модель, но она явно превзошла другие модели в контексте действительно новых недорогих инноваций. Модель Гомперца не рекомендуется для прогнозирования распространения действительно новых или радикальных инноваций до запуска инновации. Тем не менее, модель Гомперца может очень хорошо подходить для прогнозов, генерируемых задолго до запуска нововведения. Хотя это и не было целью данного исследования, было отмечено, что распространение инноваций в области проекционного телевидения следует идеальной кривой Гомперца.

$c$

Положение Мура в качестве соучредителя Intel помогло ему обеспечить, чтобы его прогноз сбылся и оставил его в силе. Квантовые вычисления слишком близки к своему генезису, чтобы их можно было продвигать, просто вкладывая в них деньги, и поэтому для создания успешного устройства для квантовых вычислений необходимо было бы разумно распределить деньги, чтобы получить максимальную выгоду от множества отраслей, которые исследователи взяли.

« Дорожная карта европейских квантовых технологий » (11 декабря 2017 г.) перечисляет некоторые проблемы после введения:

« Введение

$^N$

(1) легко расширяемый набор хорошо охарактеризованных кубитов

(2) время когерентности которого достаточно велико для обеспечения согласованной работы

(3) и чье начальное состояние может быть установлено

(4). Кубиты системы могут управляться логически с помощью универсального набора ворот.

(5) и конечное состояние может быть измерено

(6). Чтобы обеспечить связь, стационарные кубиты могут быть преобразованы в мобильные.

(7) и передается верно.

Также понятно, что для работы любого квантового компьютера важно исправлять ошибки, которые неизбежны и гораздо более вероятны, чем в классических компьютерах.

Сегодня квантовые процессоры реализованы с использованием ряда физических систем. Квантовые процессоры, работающие на регистрах таких кубитов, до сих пор смогли продемонстрировать множество элементарных примеров квантовых алгоритмов и протоколов. Развитие в полнофункциональный большой квантовый компьютер сталкивается с проблемой масштабируемости, которая включает в себя интеграцию большого количества кубитов и исправление квантовых ошибок. Различные отказоустойчивые архитектуры предлагаются для решения этих проблем. Неуклонно растущие усилия академических лабораторий, стартапов и крупных компаний являются явным признаком того, что крупномасштабные квантовые вычисления считаются сложной, но потенциально полезной целью ».

...

Существует слишком много путей для выбора и определения наилучшего пути продвижения вперед, чтобы либо построить модель роста (например, закон Мура), но и не следует ожидать такой прямой линии.

В компьютере D-Wave каждое удвоение кубитов представляет собой удвоение вычислительной мощности, для подмножества задач, для которых оно подходит, для универсальных квантовых компьютеров каждый дополнительный дополнительный кубит представляет удвоение мощности; к сожалению, каждый отдельный кубит должен быть представлен несколькими кубитами, чтобы обеспечить исправление ошибок и поддерживать согласованность. Некоторые технологии, используемые для реализации кубитов, позволяют использовать меньше или единичные кубиты, так как они не подвержены ошибкам и имеют более длительную согласованность и большую точность. Скорость управления также является важным фактором при выборе технологии для реализации, и хотя она влияет на график кривой, она выходит за рамки предлагаемого здесь ответа.

Дальнейшее чтение: « Когерентное управление одиночными электронами: обзор текущего прогресса » (1 февраля 2018 г.), « Сверхтонкое ускоренное электрическое управление легирующими ядерными спинами в полупроводниках » (30 марта 2018 г.), « Квант точности A> 99,9%» -спиновый кубит с когерентностью, ограниченной зарядным шумом »(4 августа 2017 г.).

Эта статья, кажется, адекватно объясняет, что вы спрашиваете. Это показывает рост полезных кубитов в квантовых компьютерах.

Таким образом, возникает вопрос, может ли закон Мура также применяться к квантовым кубитам. И раннее свидетельство предполагает, что действительно это может [...]

Адиабатическая линия была бы предсказанием для машин квантового отжига, таких как компьютеры D-Wave. До сих пор они очень близко следовали предсказанию закона Мура: D-Wave 1 на 128 кубит в 2011 году, D-Wave 2 на 512 кубит в 2013 году, D-Wave 2X на 1097 кубит в 2015 году и машина на 2048 кубитов в 2017 году. [...]

Физическая кривая предсказывает количество физических кубитов, которые будут доступны. Существует меньше исторических данных об этом, но есть признаки того, что они также будут быстро прогрессировать. Например, у IBM есть машина с 5 кубитами, которая доступна в облаке через IBM Quantum Experience, а Google продемонстрировала машину с 9 кубитами. Обе эти компании и другие компании указали, что эти плотности будут быстро увеличиваться, поэтому физическая кривая поддерживает скорость улучшения удвоения каждый год в течение следующих 10 лет и удвоения каждые два года после этого.