2 คะแนน โดย GN⁺ 2024-11-24 | 2 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • คิวบิต ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม มีความไวสูงมากจนเกิดข้อผิดพลาดได้แม้มีการรบกวนจากภายนอกเพียงเล็กน้อย
  • การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม (QEC) ใช้การรวมคิวบิตเชิงกายภาพจำนวนมากที่ไวต่อสัญญาณรบกวน เพื่อสร้างคิวบิตเชิงตรรกะที่มีความเสถียรมากขึ้นและใช้แก้ไขข้อผิดพลาด
  • เป้าหมายหลักของ QEC คือทำให้อัตราข้อผิดพลาดของคิวบิตเชิงกายภาพอยู่ต่ำกว่าค่าขีดวิกฤต เพื่อให้เมื่อเพิ่มจำนวนคิวบิตมากขึ้นแล้ว ข้อผิดพลาดกลับลดลง

ผลงานสำคัญของ Google: บรรลุอัตราข้อผิดพลาดต่ำกว่าค่าขีดวิกฤต

  • Google ประสบความสำเร็จในการลดข้อผิดพลาดแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล โดยใช้ surface codes ซึ่งเป็น QEC ประเภทหนึ่ง
  • ด้วยการเพิ่ม code distance จาก 5 เป็น 7 คิวบิต ทำให้อัตราข้อผิดพลาดเชิงตรรกะลดลง 2.14 เท่า
  • จากผลการทดลอง คิวบิตเชิงตรรกะคงอยู่ได้นานกว่าคิวบิตเชิงกายภาพถึงสองเท่า
  • นี่เป็นกรณีแรกที่พิสูจน์ว่าคิวบิตเชิงตรรกะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคิวบิตเชิงกายภาพ และเป็นการวางรากฐานสำคัญสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ขยายขนาดได้

นวัตกรรมของ Google ในมุมมองวิศวกรรมการควบคุม

1. การซิงโครไนซ์แบบเรียลไทม์

  • ทุกวงรอบของการแก้ไขข้อผิดพลาดต้องเสร็จสิ้นภายใน 1.1µs ซึ่งต้องอาศัยการซิงโครไนซ์ที่สมบูรณ์แบบระหว่างคิวบิต
  • ความคลาดเคลื่อนของจังหวะสัญญาณเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้ข้อผิดพลาดสะสมและทำให้การคำนวณล้มเหลวได้

2. การถอดรหัสแบบเรียลไทม์

  • การถอดรหัสคือกระบวนการวิเคราะห์ข้อมูลการวัดเพื่อระบุตำแหน่งและประเภทของข้อผิดพลาด
  • Google ประมวลผลวงรอบการแก้ไขข้อผิดพลาดได้มากกว่า 1 ล้านครั้ง ด้วยเวลาแฝง 63µs
  • หากตัวถอดรหัสทำงานช้า ข้อผิดพลาดจะสะสม ดังนั้นการถอดรหัสแบบเรียลไทม์จึงเป็นสิ่งจำเป็น

3. การทำงานของเกตที่มีความเที่ยงตรงสูง

  • Google ทำอัตราข้อผิดพลาดของ single-qubit gate ได้ต่ำกว่า 0.1% และของ two-qubit CZ gate อยู่ที่ 0.3% เพื่อรับประกันเสถียรภาพของคิวบิตเชิงตรรกะ
  • ข้อผิดพลาดของเกตสามารถแพร่กระจายไปทั่วทั้งระบบได้ จึงต้องให้ความสำคัญกับความแม่นยำอย่างมาก

ความสำคัญของการถอดรหัสแบบเรียลไทม์

  • งานวิจัยของ Google แสดงให้เห็นว่าเวลาแฝง (latency) และอัตราการประมวลผล (throughput) ของตัวถอดรหัสมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของ QEC เพียงใด
  • การถอดรหัสสามารถทำได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำบนฮาร์ดแวร์อย่าง FPGA ขณะที่ GPU ให้ความสามารถในการคำนวณที่สูงกว่า
  • แพลตฟอร์ม DGX Quantum ที่เกิดจากความร่วมมือระหว่าง NVIDIA และ Quantum Machines รองรับงาน QEC ด้วยเวลาแฝงไป-กลับของข้อมูลต่ำกว่า 4µs

ความท้าทายและแนวโน้มต่อจากนี้

สิ่งที่ Google สะท้อนให้เห็น

  • Google แสดงให้เห็นว่าคิวบิตเชิงตรรกะสามารถเหนือกว่าคิวบิตเชิงกายภาพได้ ซึ่งเปิดทางสู่การประมวลผลควอนตัมแบบทนต่อข้อผิดพลาด (fault tolerance)
  • การพิสูจน์ว่าอัตราข้อผิดพลาดเชิงตรรกะลดลงแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล ชี้ให้เห็นศักยภาพในการทำการคำนวณควอนตัมที่ซับซ้อนได้

โจทย์วิจัยในอนาคต

  • การเพิ่มความเร็วของตัวถอดรหัสและการปรับเทียบแบบอัตโนมัติ
  • การพัฒนากลยุทธ์ลดทอนข้อผิดพลาดที่รวดเร็ว
  • การออกแบบระบบควบคุมแบบบูรณาการระหว่างงานควอนตัมและงานแบบคลาสสิก
  • จำเป็นต้องมีระบบที่ทำวงจรป้อนกลับแบบเรียลไทม์ให้สมบูรณ์ เพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดก่อนที่จะสะสม

2 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-11-24
ความคิดเห็นบน Hacker News
  • สงสัยว่านี่เป็นคำอธิบายที่ดีจริงหรือเปล่า ติดตั้งแต่ช่วงเกริ่นนำแล้ว: เขาบอกว่าในคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก หน่วยความจำที่ทนต่อข้อผิดพลาดจะแก้ด้วยการทำซ้ำบิตแล้วใช้เสียงข้างมาก แต่ในความเป็นจริงใช้ การแก้ไขข้อผิดพลาดอย่าง ECC ไม่ใช่การทำซ้ำบิตกับเสียงข้างมาก
    การทำซ้ำบิตสิ้นเปลืองมาก เพราะให้ผลแบบเดียวกันได้ด้วยบิตส่วนเกินที่น้อยกว่ามาก คงสับสนกับฝั่ง วงจรลอจิก ที่อาจไม่มีกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพกว่านี้

    • จากมุมมองของนักฟิสิกส์ การแก้ไขข้อผิดพลาดแบบคลาสสิกไม่ได้เป็นรหัสทำซ้ำแบบง่ายเสมอไป แต่แนวคิดเรื่อง ความซ้ำซ้อนของข้อมูล ก็ยังใช้ได้อยู่ เช่น การตรวจสอบ parity
      ในการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม ไม่สามารถใช้ความซ้ำซ้อนตรง ๆ ได้เพราะ ทฤษฎีบทห้ามโคลน จึงใช้คิวบิตจำนวนมากขึ้นแทน เพื่อฝังปริภูมิย่อยของคิวบิตไว้ในปริภูมิที่ใหญ่กว่า เมื่อเกิดข้อผิดพลาดที่แก้ไขได้ ปริภูมิย่อยที่ฝังไว้นี้จะย้ายไปยัง “ตำแหน่ง” อื่นภายในปริภูมิใหญ่ ตรวจจับได้ แล้วสามารถย้ายกลับโดยไม่แตะต้องสถานะภายในปริภูมิย่อย ทำให้ข้อมูลควอนตัมถูกรักษาไว้
    • เป็นข้อทักท้วงที่ถูกต้อง แต่มีเกร็ดเสริมที่น่าสนใจอยู่ สัญญาณไฟฟ้าภายในโปรเซสเซอร์แบบคลาสสิกหรือชิปดิจิทัลลอจิกประกอบด้วยอิเล็กตรอนจำนวนมาก และอิเล็กตรอนไม่ได้ประพฤติตัวอย่างสมบูรณ์แบบ จึงเกิดความคลาดเคลื่อนบ่อย
      การตีความว่าสัญญาณเป็น 0 หรือ 1 ขึ้นอยู่กับว่าอิเล็กตรอนส่วนใหญ่เคลื่อนที่ไปทิศทางใด ยิ่งลดพลังงาน จำนวนอิเล็กตรอนต่อสัญญาณก็ยิ่งน้อยลง และข้อผิดพลาดก็เพิ่มขึ้น ในแง่นั้น อาจมองได้ว่าในอุปกรณ์อย่างคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกหรือใยแก้วนำแสงก็มี รหัสทำซ้ำ อยู่ในระดับแผ่นฐานฮาร์ดแวร์
    • นี่ดูเหมือน ข้อผิดพลาดแบบที่ LLM น่าจะทำ แทบเป็นไปไม่ได้เลยที่คนจะสับสนระหว่างการแก้ไขข้อผิดพลาดกับ “เสียงข้างมาก”/ฉันทามติ
    • ผมก็สะดุดตรงนั้นเหมือนกัน เสียงข้างมาก ถูกใช้ในอุตสาหกรรมอย่างการบินก็จริง แต่ก็เพื่อยืนยันผลการคำนวณ ไม่ใช่เอาไปใช้กับทุกแอดเดรสของหน่วยความจำ
    • ถ้าตีความอย่างผ่อนปรนสักหน่อย อาจมองได้ว่าหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกพึ่งพาการทำซ้ำ/เสียงข้างมากโดยนัย ในรูปแบบของการเพิ่มขนาดเซลล์ของแต่ละบิต คล้ายกับตอนส่งสัญญาณผ่านสายไฟ ที่เปลี่ยนการส่งซ้ำให้เป็นอัตราสัญลักษณ์ต่ำลงและคงระดับสัญญาณไว้นานขึ้น
      บิตไม่ได้ถูกเก็บไว้ในอะตอมหรืออิเล็กตรอนเดี่ยว ๆ เซลล์ที่เก็บบิตเดียวสามารถมองเป็นชุดของเซลล์ย่อยที่เชื่อมต่อขนานกันและเก็บค่าเดียวกันซ้ำ ๆ ได้ และตอนอ่าน ก็อ่านปริมาณประจุรวมในเซลล์หน่วยความจำ ทำให้เกิดเสียงข้างมากในเชิงอนาล็อกโดยอัตโนมัติ
      ขึ้นอยู่กับว่าพูดถึงคอมพิวเตอร์ในระดับนามธรรมแค่ไหน โดยเฉพาะเมื่อเปรียบเทียบคอมพิวเตอร์ควอนตัมกับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก หน่วยความจำอาจไม่ได้หมายถึงแค่ RAM แต่รวมทุกสิ่งที่เก็บสถานะ และคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกก็อาจไม่ได้หมายถึงแค่เดสก์ท็อป แต่รวมถึงวงจรลอจิกอย่างง่ายด้วย โดยพื้นฐานแล้วคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปก็เป็นวงจรลอจิกขนาดมหึมา
      RAID-1 ก็มี และในระดับที่สูงกว่านั้นก็มีการสำรองข้อมูลด้วย ดังนั้นผมคิดว่ามีตัวอย่างมากพอที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกใช้การทำซ้ำจริง ๆ เพื่อให้ทนต่อข้อผิดพลาด
  • น่าทึ่งที่ทำเว็บไซต์ซึ่งเมื่อปรับซูมเข้า/ออกในเบราว์เซอร์แล้ว ทุกอย่างใหญ่ขึ้นยกเว้นข้อความในเนื้อหา

    • เขาตั้งขนาดฟอนต์รากตามความกว้างทั้งหมดของหน้าจอ (1.04vw) แล้วสไตล์ที่เหลือใช้หน่วย rem
      เพิ่งเคยเห็นวิธีแบบนี้ อาจเป็นหนึ่งในไม่กี่วิธีที่เลี่ยงการซูมของเบราว์เซอร์ได้
    • แบบนี้ควรถูกห้ามด้วยกฎหมาย คนปกติที่ไหนจะอยากได้
    • น่าสนใจที่เพราะวิธีนี้กับ CSS อื่น ๆ บนมือถือแนวตั้งยังอ่านได้อยู่ แต่พอเป็น แนวนอน ตัวอักษรกลับเล็กมาก
  • สำหรับอ้างอิง บทความวิชาการที่กล่าวถึงที่นี่เผยแพร่เมื่อ 27 สิงหาคม 2024
    https://arxiv.org/pdf/2408.13687

  • ยังตั้งตารอดูว่าควอนตัมคอมพิวติ้งจะไปทางไหน แต่เกณฑ์ของ “จุดพลิกผัน” สำหรับผมมีใหม่แล้ว จนกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสามารถ แยกตัวประกอบของผลคูณจำนวนเฉพาะ ที่ใหญ่กว่าสองสามบิตได้ ผมจะมองอย่างมากก็เป็นงานที่กำลังดำเนินอยู่

    • ต่อให้จำนวนคิวบิตเพิ่มเป็น 2 เท่าทุกปี ตัวชี้วัด จำนวนที่ใหญ่ที่สุดที่แยกตัวประกอบได้ ก็อาจดูเหมือนไม่คืบหน้าไปประมาณ 8 ปี หลังจากนั้น ขนาดของจำนวนที่แยกตัวประกอบได้จะเพิ่มเป็น 2 เท่าทุกปี และรวมแล้วประมาณ 15 ปีต่อมา RSA2048 จะถูกเจาะได้
      ช่วงนิ่งในตอนต้นเกิดจากต้นทุนของการแก้ไขข้อผิดพลาดที่ไปกองหนักอยู่ด้านหน้า ขึ้นอยู่กับความสนใจ ความไม่ไวของตัวชี้วัดนี้ในช่วงแรกอาจเป็นข้อดีเพราะช่วยลดสิ่งรบกวน หรือเป็นข้อเสียเพราะไม่แสดงความคืบหน้าจริงได้ดีพอ เช่น ถ้าอัตราการปรับปรุงจริงไม่ใช่ 2 เท่าต่อปีแต่เป็น 10 เท่า เราอาจต้องใช้เวลาถึง 3 ปีกว่าจะรู้ว่า RSA2048 จะถูกเจาะในอีก 2 ปี ไม่ใช่ 12 ปี
    • เช่นเดียวกับโปรเจกต์ส่วนใหญ่แบบนี้ ระหว่างทางคงมี จุดพลิกผันหรือหมุดหมาย ที่เล็กกว่าและไม่หวือหวาเท่า ตามมาเรื่อย ๆ
    • เห็นด้วย ผมไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญด้านนี้ แต่ติดตามมานานในฐานะแฟนที่มีความหวัง และช่วงหลัง ๆ ผมค่อย ๆ เพิ่มความน่าจะเป็นที่ควอนตัมคอมพิวติ้งอาจไม่มีวันกลายเป็น ทางเลือกที่ viable เชิงพาณิชย์ ซึ่งแทนที่คอมพิวติ้งแบบคลาสสิกสมัยใหม่เพื่อแก้ปัญหาจริงที่มีคุณค่าได้
      ผมไม่ได้รู้มากพอจะโต้แย้งอย่างละเอียด แต่ทุกครั้งที่อ่านข่าวซึ่งถือเป็นเรื่องแน่นอนว่า “แน่นอนว่ายาก แต่สุดท้ายก็จะไปถึง” ผมก็เกิดความกังวลแบบนั้นขึ้นมา ผมเห็นด้วยว่าในเชิงทฤษฎี อัลกอริทึมควอนตัมสามารถแก้ปัญหาจริงที่มีคุณค่าได้ แต่ดูเหมือนยังมี unknown unknowns อยู่มากก่อนจะไปถึงขั้น “เป็นทางเลือกทดแทนที่ viable เชิงพาณิชย์และแก้ปัญหาจริงได้”
      ดูเหมือนมีความเป็นไปได้ที่จะพบข้อจำกัดพื้นฐานที่ทำให้เราไม่สามารถวิศวกรรมโซลูชันที่มีขนาดใหญ่พอ น่าเชื่อถือพอ และคุ้มต้นทุนได้ ผมอยากฟังข้อโต้แย้งว่าเราค่อนข้างมั่นใจได้แล้วว่าสิ่งที่เหลือส่วนใหญ่เป็นแค่ “วิศวกรรมที่ยากมาก”
    • ทุกครั้งที่เห็นจุดพลิกผันของควอนตัมคอมพิวติ้ง คำถามแรกของผมมักเป็น “คริปโตของผมยังปลอดภัยไหม?” ตอนนี้คำตอบยังดูใกล้เคียงกับ ใช่
    • ก่อนจะไปถึงจุดนั้น คงมีจุดพลิกผันออกมาสักพันครั้ง
  • ในวงการคอมพิวติงควอนตัม ผมไม่ค่อยรู้ว่าความคืบหน้าแต่ละอย่างจะนำไปสู่อะไร แต่รู้ว่าตัวเองเผชิญกับ ความเสี่ยงจากคอมพิวติงควอนตัม ในแง่ที่ว่าสักวันหนึ่งผมจะต้องเปลี่ยนคีย์ความปลอดภัยทั้งหมดที่สร้างไว้ และอัลกอริทึมเข้ารหัสของซอฟต์แวร์ทั้งหมด
    ความสำเร็จครั้งนี้ทำให้เราเข้าใกล้ มหันตภัยควอนตัมต่อการเข้ารหัส แค่ไหน? เหลือเวลาอีกเท่าไรก่อนที่ต้องใส่เรื่องนี้ลงเป็นงบในแผนวิศวกรรมรายไตรมาส

    • น่าจะยังไม่ถึงขั้นนั้น เว้นแต่จะมีการทะลุทะลวงที่ฉับพลันและคาดไม่ถึงจริง ๆ การใช้อัลกอริทึมที่ ทนทานต่อควอนตัม น่าจะกลายเป็นแนวปฏิบัติที่ดีไปตั้งนานก่อนที่ปัญหานี้จะสำคัญในทางปฏิบัติ
      ในเชิงปฏิบัติ มีปัญหาเฉพาะการเข้ารหัสแบบกุญแจสาธารณะ ส่วนแบบสมมาตรยังโอเคอยู่ พูดแบบนี้อาจลดทอนความซับซ้อนไปบ้าง แต่โดยรวมแล้วก็ถูกต้องเป็นส่วนใหญ่
    • ให้โฟกัสที่ การเข้ารหัสแบบอสมมาตรกับ DH ก็พอ ถ้าคีย์สมมาตรเป็น 256 บิต ฝั่งนั้นน่าจะไม่เป็นไร
      ตามอุดมคติแล้ว ส่วนใหญ่ควรเป็นแค่ประมาณ “อัปเกรดเป็น openssl / openssh / golang-crypto ฯลฯ เวอร์ชันล่าสุด และตรวจสอบว่าการตั้งค่าแฮนด์เชกใช้อัลกอริทึมเข้ารหัสรุ่นใหม่” แต่ด้วยเหตุผลด้านมนุษย์หลายอย่าง ยังแทบไม่มีฉันทามติว่าจะเปลี่ยนโปรโตคอลอย่างไร เลยยังเป็นเรื่องอีกไกล
      สักวันหนึ่งก็คงต้องสร้างคีย์อสมมาตรชุดใหม่ด้วย ตรงนั้นน่าจะเริ่มน่าสนใจ ปัจจุบันยังไม่มีทางออกแบบอิงฮาร์ดแวร์ และมีแนวโน้มว่าจะใช้เวลานาน บริษัทต่าง ๆ พยายามทำให้ตรงตามมาตรฐานรัฐบาลกลางสหรัฐฯ เพราะกฎระเบียบและการขายให้รัฐบาลกลาง ส่วนรัฐบาลกลางก็ดำเนินการมาตรฐานโปรโตคอลช้ามาก และดูเหมือนจะอยากเพิ่มอัลกอริทึมสำหรับการรับรองเข้าไปอีก การอนุมัติมาตรฐานที่เกี่ยวข้องอย่าง FIPS 140 ทุกวันนี้แค่ขั้นเอกสารก็ใช้เวลามากกว่าหนึ่งปีแล้ว ทั้งที่ทุกคนอยากให้เดินหน้าเร็วกว่านี้ ซอฟต์แวร์สามารถขยับได้เร็วกว่าในแง่การพัฒนา แต่ก็ยังมีปัญหาข้อต่อรองทั่วไปที่ทำให้การขโมยคีย์ง่ายขึ้น และปัญหาการรับรองอย่างเป็นทางการเหมือนเดิม
    • โมเดลภัยคุกคามหลักคือข้อมูลที่ถูกรวบรวมจากการสอดส่องขนาดใหญ่ในตอนนี้ ซึ่งปัจจุบันยังถอดไม่ได้ จะ ถอดรหัสได้ ในภายหลัง
      ดังนั้นกลไกความปลอดภัยแบบ “ปลอดภัยจากควอนตัม” ชุดใหม่ ๆ จึงกำลังถูกพัฒนาอยู่แล้ว
    • ดูเหมือนไม่มีใครรู้แน่ชัด และมีการเดาสุ่มแบบสุดโต่งอยู่มาก
      ถ้ามีคีย์ที่ต้องทนอยู่ให้ได้ 20 ปี ก็ควรลองใช้อัลกอริทึมมาตรฐานชุดใหม่ที่ได้รับ การอนุมัติจาก NIST แล้ว
  • มีใครใน HN เข้าใจไหมว่าความสำเร็จครั้งนี้ทำให้เราเข้าใกล้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริง แค่ไหน

    • เป็นงานประชาสัมพันธ์เกินจริงอีกชิ้นจากองค์กรวิจัยและพัฒนาของ Google เป็นการประยุกต์เชิงทฤษฎีเพื่อเพิ่มจำนวน ลอจิคัลคิวบิต ของระบบด้วยการลดข้อผิดพลาดที่เกิดในวงจรควอนตัม แต่ส่วนสุดท้ายยังไม่ได้ทำ จึงยังต้องรอดูว่าจะใช้ได้จริงแค่ไหน
      https://arxiv.org/abs/2408.13687
      “Our results present device performance that, if scaled, could realize the operational requirements of large scale fault-tolerant quantum algorithms.”
      ดูเหมือน Google จะลืมทดสอบว่าสเกลได้หรือไม่
    • แค่ดูว่ามีหัวข้อย่อยเชิงอนาคตชื่อ “วิสัยทัศน์ของความทนทานต่อความผิดพลาด” ซึ่งเต็มไปด้วยคำพูดแทบไม่มีเนื้อหา แล้วจบด้วย “เราเพิ่งเริ่มต้นการเดินทางอันน่าตื่นเต้นนี้ โปรดติดตามต่อไป!” ก็แปลว่ายังไม่ใกล้เลย
  • ไม่ได้รู้สึกเหมือนเป็นการทะลุทะลวงอะไร เป็น ความก้าวหน้าทางวิศวกรรม ในเชิงบวกจริง แต่ไม่ใช่การทะลุทะลวง
    แล้ว AI มาเกี่ยวอะไรกับเรื่องนี้กันแน่

    • ไม่ใช่แก่นหลักของ论文 แต่ Google ได้ทดสอบ ตัวถอดรหัสแบบโครงข่ายประสาท และมันให้ความแม่นยำสูงสุด นอกจากนี้ตัวถอดรหัสบางตัวอื่น ๆ ยังใช้ความน่าจะเป็นก่อนหน้าที่ค้นพบด้วย reinforcement learning เพื่อเพิ่มความแม่นยำด้วย