Apakah hukum Moore berlaku untuk komputasi kuantum?

Polos dan sederhana. Apakah hukum Moore berlaku untuk komputasi kuantum, atau apakah itu serupa tetapi dengan angka yang disesuaikan (mis. Tiga kali lipat setiap 2 tahun). Juga, jika hukum Moore tidak berlaku, mengapa qubit mengubahnya?

Jika Anda mengambil definisi " jumlah transistor dalam sirkuit terpadu yang padat berlipat ganda setiap dua tahun ", itu pasti tidak berlaku: seperti yang dijawab di sini dalam Apakah 'elemen rangkaian fundamental' memiliki korespondensi dalam teknologi kuantum? tidak ada transistor-as-fundamental-komponen (juga tidak ada fundamental-parallel-to-transistor) di komputer kuantum.

Jika Anda mengambil definisi yang lebih umum " kinerja chip berlipat ganda kira-kira setiap 18 bulan ", pertanyaannya lebih masuk akal, dan jawabannya tetap tidak berlaku , terutama karena hukum Moore bukan salah satu Fisika dasar. Alih-alih, pada tahap awal, itu adalah pengamatan industri yang sudah mapan. Kemudian, sebagaimana ditunjukkan dalam komentar, [1] itu telah digambarkan sebagai berfungsi sebagai " target yang berkembang " dan sebagai " ramalan yang terpenuhi dengan sendirinya " untuk industri yang sama.

Kuncinya adalah bahwa kita tidak memiliki industri mapan yang memproduksi komputer kuantum. Kita tidak berada dalam kesetaraan kuantum dari tahun 1965. Mungkin kita akan bergerak lebih cepat, tetapi dalam banyak aspek kita agak berada di abad XVII-XVIII. Untuk perspektif, periksa garis waktu perangkat keras komputasi ini sebelum 1950 .

Untuk jawaban yang lebih produktif, ada beberapa perbedaan mendasar dan beberapa kemungkinan paralel antara perangkat keras klasik dan kuantum, dalam konteks hukum Moore:

• Untuk banyak arsitektur, dalam arti tertentu kita sudah bekerja dengan komponen sekecil mungkin. Meskipun kita mungkin mengembangkan jebakan ion (dengan ukuran tetap) yang cocok dengan lebih banyak ion, tetapi kita tidak dapat mengembangkan ion yang lebih kecil: mereka memiliki ukuran atom.
• Bahkan ketika kita dapat menemukan trik, seperti Tiga qubit spin yang dapat dialamatkan dalam magnet ion-tunggal molekuler , mereka pada dasarnya masih dibatasi oleh mekanika kuantum. Kita perlu mengendalikan 8 level energi untuk mengendalikan 3 qubit ( ), yang bisa dilakukan, tetapi tidak dapat diskalakan.$2^n$
• Justru karena masalah skalabilitas adalah salah satu masalah tersulit yang kita miliki dengan komputer kuantum - tidak hanya memiliki jumlah qubit yang lebih besar, beli juga dapat melibatkan mereka - berbahaya untuk memperkirakan dari kemajuan saat ini. Lihat ilustrasi sejarah komputer kuantum NMR , yang terhenti setelah serangkaian kesuksesan yang sangat awal. Secara teori, meningkatkan jumlah qubit di perangkat itu sepele. Dalam praktiknya, setiap kali Anda ingin dapat mengontrol 1 qubit lagi, Anda perlu menggandakan resolusi mesin Anda, yang menjadi sangat tidak mungkin dengan sangat cepat.
• Jika dan ketika ada industri yang bergantung pada teknologi yang berkembang yang mampu menghasilkan beberapa jenis chip kuantum terintegrasi, maka ya, pada saat itu kita akan dapat menarik paralel nyata dengan hukum Moore. Untuk mengetahui seberapa jauh kita dari titik itu, lihat Apakah ada perkiraan tentang seberapa rumit skala teknik kuantum dengan ukuran?

[1] Terima kasih kepada Sebastian Mach untuk tautan wawasan dan wikipedia itu . Untuk perincian lebih lanjut tentang itu, lihat Menyatukan Teknologi Baru: Studi dalam Membuat Urutan Sosioteknik yang diedit oleh Cornelis Disco, Barend van der Meulen, hal. 206 dan Gordon Moore mengatakan aloha ke Hukum Moore .

tl; dr - Hukum Moore tidak selalu berlaku untuk industri komputasi kuantum. Faktor penentu mungkin jika proses manufaktur dapat ditingkatkan berulang untuk secara eksponensial meningkatkan sesuatu yang analog dengan jumlah transistor atau secara kasar sebanding dengan kinerja.

Latar belakang: Hukum Moore dan mengapa itu berhasil

Penting untuk dicatat bahwa hukum Moore adalah tentang jumlah transistor dalam sirkuit terintegrasi kepadatan tinggi, bukan kinerja atau kecepatan elektronik meskipun perkiraan ulang pernyataan umum hukum Moore.

Hukum Moore adalah pengamatan bahwa jumlah transistor dalam sirkuit terpadu yang padat berlipat ganda setiap dua tahun.

- "Hukum Moore" , Wikipedia

Volume transistor dibagi dua setiap dua tahun.

Kemudian pertanyaannya menjadi, mengapa transistor dapat menyusut begitu cepat?

Ini sebagian besar karena transistor pada dasarnya terbuat dari kabel yang dibuat secara mikroskopis dalam sirkuit terpadu, dan seiring kemajuan teknologi manufaktur, kami dapat membuat kabel yang lebih kecil dan lebih kecil:

     .

Proses membuat kabel gila-kecil dalam sirkuit terpadu membutuhkan banyak pengetahuan penelitian, sehingga orang-orang di industri pada dasarnya berangkat untuk secara iteratif meningkatkan proses fabrikasi mereka sedemikian rupa untuk mempertahankan hukum Moore.

Namun, hukum Moore pada dasarnya sudah berakhir. Proses fabrikasi kami mendekati skala atom sehingga fisika situasi berubah, jadi kita tidak bisa terus menyusut lebih jauh.

Bisakah hukum Moore berfungsi untuk komponen kuantum?

Seperti disebutkan di atas, hukum Moore pada dasarnya berakhir sekarang. Komputer kemungkinan akan menambah kecepatan karena kemajuan lain, tetapi kami tidak benar-benar berencana untuk membuat transistor sub-atom saat ini. Jadi terlepas dari keinginan kuat industri untuk mempertahankannya, tampaknya tidak mungkin.

Jika kita mengasumsikan perilaku yang sama dalam industri komputasi kuantum masa depan, maka kita dapat berasumsi bahwa sesuatu seperti hukum Moore mungkin muncul jika industri menemukan dirinya dalam posisi yang sama, di mana ia dapat secara iteratif meningkatkan proses pembuatan komponen untuk meningkatkan jumlah mereka secara eksponensial (atau beberapa metrik serupa).

Pada saat ini, tidak jelas apa yang dapat dilakukan produsen komputer metrik kuantum dasar industri secara iteratif selama beberapa dekade untuk menciptakan kembali tren seperti hukum Moore, terutama karena tidak jelas seperti apa teknologi komputasi arsitektur kuantum yang mungkin menemukan penyebaran luas seperti yang dimiliki sirkuit terpadu modern.

Hal pertama yang harus dipahami tentang hukum Moore adalah bahwa itu bukan hukum dalam arti absolut, dapat dibuktikan secara matematis, atau bahkan didalilkan (seperti hukum fisika). Sungguh, itu hanya aturan praktis yang mengatakan jumlah transistor dalam sebuah prosesor akan berlipat ganda setiap x tahun. Ini dapat dilihat dengan cara bahwa nilai x telah berubah seiring waktu. Awalnya, itu x = 1, lalu menjadi x = 2, lalu apa itu diterapkan (kecepatan prosesor) berubah. Ini telah terbukti menjadi aturan praktis yang berguna, sebagian karena itu adalah aturan praktis yang digunakan untuk menetapkan target untuk generasi prosesor baru.

Jadi, sama sekali tidak ada alasan mengapa hukum Moore berlaku untuk komputer kuantum, tetapi tidak masuk akal untuk menebak bahwa, melewati beberapa ambang dasar, angka qubit akan berlipat ganda setiap tahun. Untuk sebagian besar implementasi perhitungan kuantum, kami belum memiliki cukup titik data untuk mulai memperkirakan estimasi untuk nilai y. Beberapa mungkin berpendapat bahwa itu bahkan belum jelas apakah kita berada di era "tabung hampa" atau "transistor" komputasi kuantum (hukum Moore tidak dimulai sampai era transistor).

Kami mungkin mulai mencoba dan memperkirakan untuk beberapa sistem. Misalnya, D-wave memiliki riwayat menggandakan ukuran prosesornya. Ini dimulai sebagai y = 1, dan saat ini memiliki sekitar y = 2. Tentu saja, ini bukan perangkat komputasi kuantum universal. Hal terbaik berikutnya yang mungkin kita lihat adalah prosesor kuantum IBM. Dalam setahun, komputer yang tersedia pada pengalaman kuantum IBM berubah dari 5 qubit menjadi 16, meskipun saya pikir tidak masuk akal untuk memperkirakan berdasarkan hal ini.

Polos dan sederhana. Apakah hukum Moore berlaku untuk komputasi kuantum, atau apakah itu serupa tetapi dengan angka yang disesuaikan (mis. Tiga kali lipat setiap 2 tahun). Juga, jika hukum Moore tidak berlaku, mengapa qubit mengubahnya?

Pertanyaan yang bagus, dengan jawaban yang bagus; tetap, aku akan mencoba tanganku dalam hal itu.

Tidak, sebagian besar komputer kuantum tidak memiliki qubit yang dibuat dalam silikon; bahkan beberapa yang tidak diciptakan dengan memanfaatkan litografi komputasi . Komputasi kuantum sedang dalam masa-masa paling awal, tidak dapat dibandingkan secara langsung dengan teknologi dewasa yang sepenuhnya berbeda.

Informasi untuk mendukung jawaban singkat itu:

Pertanyaan ini ditanyakan di fisika.SE: " Masuk akal untuk mengharapkan hukum Moore untuk komputasi kuantum? ", Menerima satu jawaban; tidak diterima dengan baik (400 kali dilihat dalam 144 hari, dan 1 Suara).

Ini disebut Hukum Rose , oleh beberapa; setelah CTO Sistem D-Wave. Lihat artikel ini: " Komputasi kuantum Hukum Rose adalah Hukum Moore tentang steroid " atau halaman Flickr dari Direktur Pelaksana perusahaan investasi Draper Fisher Jurvetson, Steve Jurvetson: " Hukum Rose untuk Komputer Kuantum ".

Grafik berjalan sedikit di depan itu sendiri, dan itu berlaku untuk komputer anil kuantum , itu tidak persis sebanding dengan komputasi kuantum universal .

Alasan Hukum Moore tidak bisa dibandingkan adalah karena mengacu pada transistor dan proses pembuatan yang sama sekali berbeda, Anda membandingkan proses pembuatan yang dibuat pada saat itu dengan proses di mana komputer berada di masa-masa awal dan pada dasarnya dibuat dengan tangan.

Halaman web Wikipedia menggambarkan Hukum Moore dengan cara ini:

"Hukum Moore adalah pengamatan bahwa jumlah transistor dalam sirkuit terpadu yang padat berlipat ganda setiap dua tahun. Pengamatan ini dinamai Gordon Moore, salah satu pendiri Fairchild Semiconductor dan Intel, yang makalahnya pada 1965 menggambarkan penggandaan setiap tahun di jumlah komponen per sirkuit terpadu, dan memproyeksikan tingkat pertumbuhan ini akan terus berlanjut untuk setidaknya satu dekade lagi.Pada tahun 1975, menantikan dekade berikutnya, ia merevisi perkiraan menjadi dua kali lipat setiap dua tahun. Periode ini sering dikutip sebagai 18 bulan karena dari eksekutif Intel David House, yang meramalkan bahwa kinerja chip akan berlipat ganda setiap 18 bulan (menjadi kombinasi dari efek lebih banyak transistor dan transistor menjadi lebih cepat).

Grafik Gordon E. Moore dari tahun 1965 tampak seperti ini:

Artikel oleh Max Roser dan Hannah Ritchie (2018) - " Kemajuan Teknologi ", yang diterbitkan online di OurWorldInData.org, menjelaskan bagaimana persamaan eksponensial telah digunakan untuk menggambarkan segala sesuatu mulai dari Hukum Moore, daya komputasi (baik operasi per detik dan kecepatan clock * core) * threads), kemajuan penerbangan manusia atau bahkan sekuensing genom DNA manusia.

Hukum Moore adalah pengamatan dan proyeksi tren historis dan bukan hukum fisik atau alam . Meskipun tingkat tetap stabil dari 1975 hingga sekitar 2012, angka itu lebih cepat selama dekade pertama. Pandangan nostalgia pada hari-hari awal komputasi personal diberikan dalam fitur Ars Technica ini: " Penciptaan laptop modern: Pandangan mendalam pada baterai lithium-ion, desain industri, hukum Moore, dan banyak lagi ".

Dalam Komunikasi ACM ini, Vol. 60 No. 1 artikel: " Hukum Eksponensial Pertumbuhan Komputasi " penulis, Denning dan Lewis, menjelaskan:

"Tiga jenis pertumbuhan eksponensial, seperti disebutkan — penggandaan komponen, kecepatan, dan adopsi teknologi - semuanya disatukan di bawah judul Hukum Moore. Karena Hukum Moore yang asli hanya berlaku untuk komponen pada chip, bukan pada sistem atau keluarga teknologi, fenomena lain harus bekerja Kita akan menggunakan istilah "Hukum Moore" untuk aturan penggandaan komponen yang diusulkan Moore dan "pertumbuhan eksponensial" untuk semua ukuran kinerja lain yang diplot sebagai garis lurus pada kertas log. Apa yang mendorong eksponensial efek pertumbuhan? Bisakah kita terus mengharapkan pertumbuhan eksponensial dalam kekuatan komputasi teknologi kita?

Pertumbuhan eksponensial tergantung pada tiga tingkat adopsi dalam ekosistem komputasi (lihat tabel di sini). Level chip adalah domain Hukum Moore, sebagaimana disebutkan. Namun, chip yang lebih cepat tidak dapat menyadari potensinya kecuali sistem komputer host mendukung kecepatan yang lebih cepat dan kecuali jika beban kerja aplikasi menyediakan pekerjaan komputasi paralel yang cukup untuk membuat chip sibuk. Dan sistem yang lebih cepat tidak dapat mencapai potensinya tanpa adopsi yang cepat oleh komunitas pengguna. Proses peningkatan di ketiga tingkatan harus eksponensial; jika tidak, sistem atau tingkat komunitas akan menjadi hambatan, dan kami tidak akan mengamati efek yang sering digambarkan sebagai Hukum Moore.

Dengan mendukung model matematika, kami akan menunjukkan apa yang memungkinkan penggandaan eksponensial di setiap level. Teknologi informasi mungkin unik karena mampu mempertahankan pertumbuhan eksponensial di ketiga tingkatan. Kami akan menyimpulkan bahwa Hukum Moore dan penggandaan eksponensial memiliki basis ilmiah. Selain itu, proses penggandaan eksponensial kemungkinan akan berlanjut di berbagai teknologi selama beberapa dekade mendatang.

Pemenuhan Diri

Pencapaian berkelanjutan yang ditandai oleh Hukum Moore sangat penting bagi ekonomi digital. Ekonom Richard G. Anderson mengatakan, "Sejumlah penelitian telah melacak penyebab percepatan produktivitas hingga inovasi teknologi dalam produksi semikonduktor yang secara tajam mengurangi harga komponen-komponen tersebut dan produk-produk yang mengandungnya (serta memperluas kemampuan seperti itu). produk). "1 Robert Colwell, Direktur DARPA's Microsystems Technology Office, menggemakan kesimpulan yang sama, itulah sebabnya DARPA telah berinvestasi dalam mengatasi kemacetan teknologi dalam teknologi pasca-Hukum Moore.5 Jika dan ketika Hukum Moore berakhir, dampak akhirnya pada ekonomi akan mendalam.

Maka tidak mengherankan kalau penjelasan standar hukum itu ekonomis; itu menjadi ramalan terpenuhi dari semua perusahaan chip untuk mendorong teknologi untuk memenuhi pertumbuhan eksponensial yang diharapkan dan mempertahankan pasar mereka. Ramalan yang terpenuhi dengan sendirinya adalah prediksi yang menyebabkan dirinya menjadi benar. Untuk sebagian besar dari 50 tahun terakhir komputasi, desainer telah menekankan kinerja. Lebih cepat lebih baik. Untuk mencapai kecepatan yang lebih besar, arsitek chip meningkatkan kepadatan komponen dengan menambahkan lebih banyak register, fungsi tingkat lebih tinggi, memori cache, dan beberapa core ke area chip yang sama dan disipasi daya yang sama. Hukum Moore menjadi tujuan desain. "

Hukum Moore memiliki banyak bantuan, membentuk masa depan dan mempertahankan pertumbuhan adalah tujuan dari mereka yang berpihak pada keuntungan; tidak sepenuhnya dibatasi oleh keterbatasan teknologi. Jika konsumen menginginkan sesuatu kadang-kadang disediakan dan kadang-kadang ide yang lebih baik ditawarkan; apa yang populer (kecepatan clock) dijual dengan harga premium dan apa, pada satu waktu, tidak dipahami dengan baik (lebih banyak inti dan utas) dipromosikan sebagai jalan ke depan.

Hukum Moore diterima dengan baik, berkembang menjadi banyak hal, seperti " Hukum Pengembalian yang Dipercepat " karya Kurzweil . Berikut ini adalah versi terbaru dari Hukum Moore (berdasarkan grafik Kurzweil):

Grafik berbasis fakta lainnya disediakan oleh grafik Top500.Org tentang pertumbuhan eksponensial kekuatan SuperComputer:

Artikel Universitas Sains dan Teknologi Missouri: " Peramalan Adopsi Konsumen atas Inovasi Teknologi: Memilih Model Difusi yang Tepat untuk Produk dan Layanan Baru sebelum Peluncuran " menjelaskan bahwa Model Bass (modifikasi dari kurva logistik ) adalah metode yang baik untuk memprediksi masa depan pertumbuhan (berdasarkan statistik masa lalu).

Kurva logistik memiliki fitur awal yang lambat, kemajuan jangka menengah yang hebat, diikuti oleh perlambatan akhirnya; sering digantikan oleh sesuatu yang baru.

Pada model peramalan penulis mengatakan ini:

" MODEL

$m$. Ini menghasilkan model (Bv) yang mengungguli yang lain dalam konteks inovasi harga rendah yang radikal. Sayangnya, hanya ada satu inovasi dalam konteks ini - penelitian tambahan direkomendasikan untuk menguji kelayakan variasi ini dengan lebih banyak dataset dalam berbagai konteks.

Model Logistik Sederhana adalah salah satu model difusi tertua yang diketahui. Ini adalah model yang sangat dasar, tetapi jelas mengungguli model lain dalam konteks inovasi harga rendah yang benar-benar baru. Model Gompertz tidak direkomendasikan untuk meramalkan difusi inovasi yang benar-benar baru atau radikal sebelum peluncuran suatu inovasi. Namun, model Gompertz mungkin sangat cocok untuk prakiraan yang dihasilkan setelah peluncuran suatu inovasi. Meskipun bukan fokus dari penelitian ini, diamati bahwa difusi dari inovasi Proyeksi Televisi mengikuti kurva Gompertz yang sempurna.

$c$

Posisi Moore sebagai salah satu pendiri Intel membantu memastikan bahwa ia dapat membantu prediksinya untuk menjadi kenyataan dan mempertahankannya. Komputasi kuantum terlalu dekat dengan permulaannya untuk didorong maju hanya dengan menuangkan uang padanya, dengan begitu banyak jalan untuk menciptakan perangkat komputasi kuantum yang sukses, uang harus dibagi secara bijak untuk mendapatkan hasil maksimal dari banyak cabang yang telah diambil oleh penelitian.

" The European Quantum Technologies Roadmap " (11 Des 2017) mencantumkan beberapa tantangan, mengikuti pendahuluan:

" Pendahuluan

$^N$

(1) seperangkat qubit dengan karakter yang mudah diperpanjang

(2) yang waktu koherensinya cukup lama untuk memungkinkan operasi yang koheren

(3) dan yang kondisi awalnya dapat diatur

(4) Qubit sistem dapat dioperasikan secara logis dengan satu set gerbang universal

(5) dan kondisi akhir dapat diukur

(6) Untuk memungkinkan komunikasi, qubit stasioner dapat dikonversi menjadi seluler

(7) dan ditransmisikan dengan setia.

Juga dipahami bahwa penting bagi pengoperasian komputer kuantum apa pun untuk mengoreksi kesalahan yang tidak terhindarkan dan jauh lebih mungkin daripada komputer klasik.

Saat ini prosesor kuantum diimplementasikan menggunakan berbagai sistem fisik. Prosesor kuantum yang beroperasi pada register qubit semacam itu sejauh ini mampu menunjukkan banyak contoh dasar dari algoritma dan protokol kuantum. Pengembangan menjadi komputer kuantum besar berfitur lengkap menghadapi tantangan skalabilitas yang terdiri dari mengintegrasikan sejumlah besar qubit dan mengoreksi kesalahan kuantum. Arsitektur toleransi kesalahan yang berbeda diusulkan untuk mengatasi tantangan ini. Upaya yang terus berkembang dari laboratorium akademik, startup dan perusahaan besar adalah tanda yang jelas bahwa perhitungan kuantum skala besar dianggap sebagai tujuan yang menantang tetapi berpotensi memberikan penghargaan.

...

Ada terlalu banyak jalan untuk dipilih, dan menentukan jalan terbaik ke depan, untuk merencanakan model pertumbuhan (seperti Hukum Moore) atau garis lurus yang diharapkan.

Dengan komputer D-Wave, setiap penggandaan qubit mewakili penggandaan daya komputasi, untuk subset masalah yang cocok, untuk komputer kuantum universal setiap qubit tambahan tunggal mewakili penggandaan daya; sayangnya setiap qubit tunggal perlu diwakili oleh beberapa qubit, untuk memungkinkan koreksi kesalahan dan menjaga koherensi. Beberapa teknologi yang digunakan untuk menerapkan qubit memungkinkan lebih sedikit atau qubit tunggal untuk digunakan karena mereka tidak rentan kesalahan dan memiliki koherensi yang lebih lama dan kesetiaan yang lebih besar. Kecepatan kontrol juga merupakan pertimbangan penting ketika memilih teknologi mana yang akan diterapkan dan sementara itu akan memengaruhi alur kurva, hal itu di luar cakupan jawaban yang ditawarkan di sini.

Bacaan lebih lanjut: " Kontrol koheren dari elektron tunggal: tinjauan kemajuan saat ini " (1 Feb 2018), " Kontrol cepat listrik berbantuan Hyperfine untuk nuklir dopant di semikonduktor " (30 Mar 2018), " A> 99,9% -kualitas kesetiaan -dot spin qubit dengan koherensi dibatasi oleh noise muatan "(4 Agu 2017).

Artikel ini sepertinya cukup menjelaskan apa yang Anda minta. Ini menunjukkan pertumbuhan qubit yang dapat digunakan di komputer kuantum.

Jadi muncul pertanyaan apakah Hukum Moore juga dapat diterapkan pada qubit kuantum. Dan bukti awal menunjukkan bahwa memang [...]

Garis adiabatik akan menjadi prediksi untuk mesin anil kuantum seperti komputer D-Wave. Ini telah mengikuti prediksi Hukum Moore sejauh ini dengan D-Wave 1 pada 128 qubit pada 2011, D-Wave 2 pada 512 qubit pada 2013, D-Wave 2X pada 1097 qubit pada 2015, dan mesin 2048 qubit pada 2017. [...]

Kurva Fisik memprediksi jumlah qubit fisik yang akan tersedia. Ada sedikit data historis tentang ini, tetapi ada indikasi bahwa ini akan berkembang dengan cepat juga. Sebagai contoh, IBM memiliki mesin 5 qubit yang tersedia di cloud melalui IBM Quantum Experience dan Google telah mendemonstrasikan mesin 9 qubit. Kedua perusahaan ini, dan lainnya telah menunjukkan bahwa kepadatan ini akan meningkat dengan cepat sehingga kurva Fisik mempertahankan tingkat peningkatan dua kali lipat setiap tahun selama 10 tahun ke depan dan dua kali lipat setiap dua tahun sesudahnya.