摩尔定律是否适用于量子计算?


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干净利落。摩尔定律是否适用于量子计算,还是类似的,但数字已调整(每两年增加三倍)。另外,如果摩尔定律不适用,为什么量子比特会改变它?


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如果这个问题的表述似乎不太明确,我在Physics.SE上问过一个更完善的版本:一旦实现了可扩展的容错能力,我们应该如何期望单个设备中的qubit数量随时间扩展? 我很高兴在这个网站上看到讨论。如果Alex Jone和社区认为合适,我建议在此编辑问题,只需简单地全部或部分复制我的版本即可。
Jess Riedel '18

@JessRiedel我想说的是,在尊重原始(简洁明了)问题的同时,为了避免使当前答案无效,请尽量不要将范围更改太多,请随时编辑此问题以包括更长的版本。
agaitaarino

最近的热门文章:quantamagazine.org/…–
杰西·里德尔

Answers:


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如果您将“ 密集集成电路中的晶体管数量每两年翻一番定义视为绝对不适用:正如“基本电路元件”在量子技术中是否具有对应关系?量子计算机中不存在作为基本组件的晶体管(也不存在基本平行于晶体管的晶体管)。

如果您更笼统地定义“ 芯片性能每18个月大约翻一番 ”,这个问题就更有意义了,答案仍然是它不适用,主要是因为摩尔定律不是基本物理原理之一。相反,在早期阶段,它是对一个稳定的行业的观察。后来,如评论中指出的那样,[1]它被描述为同一行业的“ 发展目标 ”和“ 自我实现的预言 ”。

关键是我们没有生产量子计算机的成熟行业。从1965年起,我们的发展就不那么量子化了。可以说,我们的发展速度会更快,但是在许多方面,我们则处于十七至十八世纪。从一个角度来看,请查看1950年之前的计算硬件时间表

为了获得更有效的答案,在摩尔定律的背景下,经典硬件和量子硬件之间存在一些基本差异,并且可能存在一些相似之处:

  • 从某种意义上说,对于许多体系结构,我们已经使用了最小的组件。虽然我们可能会开发出适合更多离子的(固定大小的)离子阱,但我们无法开发出较小的离子:它们具有原子尺寸。
  • 即使我们能够提出技巧,例如分子单离子磁体中的三个可寻址自旋量子位,它们仍然从根本上受到量子力学的限制。我们需要控制8个能级来控制3个量子位(),这是可行的,但不可扩展。2ñ
  • 正是由于可伸缩性问题是我们量子计算机面临的最困难的问题之一-不仅拥有大量的量子比特,而且购买还能够纠缠它们-从当前的进展中推断是危险的。有关示例的信息,请参阅NMR量子计算机的历史,该历史在很早的一系列成功后就停滞了。从理论上讲,增加设备中的量子位数量是微不足道的。实际上,每当您希望能够再控制1个qubit时,就需要将计算机的分辨率提高一倍,这很快就变得不可行。
  • 如果并且当存在依赖于能够生产某种集成量子芯片的不断发展的技术的产业,那么是的,到那时,我们将能够得出与摩尔定律的相似之处。要了解我们离这一点还有多远,请参阅有关量子工程规模的复杂程度随大小变化的估计吗?

[1] 感谢Sebastian Mach的见识和Wikipedia链接。有关这方面的更多详细信息,请参见Cornelis Disco编辑的“将新技术融合在一起:社会技术秩序的研究”,Barend van der Meulen,p。206年戈登•摩尔(Gordon Moore)对摩尔定律表示赞同


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摩尔定律不是基本物理学之一,而是对已稳定工业的观察之一。我们没有已稳定工业生产量子计算机。 ”的确如此,我很高兴看到这个站点上有更多人这样说,就像您有做得很清楚。量子计算尚未真正到来-尽管它即将到来。
Niel de Beaudrap

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我不确定摩尔定律是否只是观察性的。我更相信这是一个教条或议程。属于行业的TODO和“足够好”列表
塞巴斯蒂安·马赫

随着时间的流逝,量子比特的数量如何?goo.gl/images/3Y4v51
JollyJoker

@JollyJoker:“ 摩尔定律不是基本物理学之一,而是对已稳定产业的观察之一。我们没有已稳定工业生产量子计算机。 ”作为对量子技术非常早期发展的观察,有可能恰好是最近的趋势,就像今天的星座运势可能给我提供有用的建议一样。这并不意味着它表示预测的特别可靠的基础。有更好的方法来研究量子技术的进步。
Niel de Beaudrap

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@JollyJoker:以此估算,我们应该有25-26个qubit,而不是19、49、72或2000。也许您正在考虑一个特定的平台?此外,这些量子位的可靠性如何?您可以使用它们做些什么(该标准在许多倍周期内是否与时间保持一致)?在我看来,我们从任何简单的投影图中都没有学到太多重要的东西,而且要了解量子技术的发展情况,我们可能需要拉开帷幕,调查一下炒作背后的内容。
Niel de Beaudrap,

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TL;博士 -摩尔定律并不一定适用于量子计算产业。决定因素可能是制造工艺是否可以迭代地改进以指数形式增加类似于晶体管数量或大致与性能成正比的值。

背景:摩尔定律及其起作用的原因

重要的是要注意,摩尔定律与高密度集成电路中的晶体管数量有关,与电子定律的性能或速度无关,尽管通常对摩尔定律进行了近似重述。

摩尔定律表明,密集集成电路中晶体管数量大约每两年翻一番。

“摩尔定律”,维基百科

ñ晶体管  V集成电路V晶体管

晶体管的体积大约每两年减半。

然后问题变成了,为什么晶体管能够如此迅速地收缩?

这主要是因为晶体管基本上是由集成电路中的微观制造的导线制成的,并且随着制造技术的进步,我们能够制造越来越小的导线:

     

在集成电路中制造疯狂的细线的过程需要大量研究知识,因此,业内人士基本上开始以保持摩尔定律的速度迭代地改进其制造过程。

但是,摩尔定律现在已经基本结束。我们的制造过程接近原子尺度,因此情况的物理方式正在发生变化,因此我们不能只是继续缩小。

摩尔定律可以用于量子成分吗?

如上所述,摩尔定律现在基本上结束了。由于其他方面的进步,计算机可能会加快速度,但是目前我们并不打算生产亚原子晶体管。因此,尽管业界强烈希望维护它,但这似乎不太可能。

如果我们在未来的量子计算行业中假设类似的行为,那么我们可以假设,如果行业发现自己处于相似的位置,则可能会出现类似摩尔定律的情况,在此情况下,它可以迭代地改善组件的制造过程以成倍地增加其数量(或一些类似的指标)。

目前,目前尚不清楚什么样的基础工业度量量子计算机制造商会在数十年的过程中迭代地改进以重现摩尔定律等趋势,这主要是因为尚不清楚哪种量子计算体系结构技术可以像现代集成电路一样广泛部署。


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关于摩尔定律,首先要了解的是,它不是绝对意义上的,数学上可证明的,甚至是假定的定律(如物理定律)。确实,凭经验说处理器中的晶体管数量每x年翻一番。可以看到x随时间变化的方式。最初是x = 1,然后变成x = 2,然后更改了它的应用(处理器速度)。它被证明是有用的经验法则,部分原因是它是用来为新一代处理器设置目标的经验法则。

因此,绝对没有理由将摩尔定律应用于量子计算机,但是可以猜测,经过一些基本阈值,量子比特数每y年就会翻一番。对于大多数量子计算的实现,我们还没有足够的数据点来开始外推值y的估计。有人可能会争论说,我们是否处于量子计算的“真空管”或“晶体管”时代(摩尔定律直到晶体管时代才开始)。

我们可能会开始尝试对某些系统进行推断。例如,D-wave具有将其处理器大小加倍的历史。这从y = 1开始,目前大约为y = 2。当然,这不是通用的量子计算设备。我们可能要看的第二件事是IBM量子处理器。一年来,IBM Quantum体验上可用的计算机从5量子位变为16量子位,尽管我认为基于此推断是不合理的。


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干净利落。摩尔定律是否适用于量子计算,还是类似的,但数字已调整(每两年增加三倍)。另外,如果摩尔定律不适用,为什么量子比特会改变它?

一个好问题,有很多答案;不过,我会尽力而为。

不,大多数量子计算机没有在硅中创建的量子位。即使是少数不能通过利用计算光刻创造出来的。量子计算是在早期,它不能直接与完全不同的成熟技术相提并论。


支持该简短答案的信息:

在Phys.SE上问了这个问题:“ 有理由期望摩尔定律用于量子计算吗? ”,得到一个答案。效果不佳(在144天内获得了400次观看,还有1次UpVote)。

有人称它为罗斯定律。在D-Wave Systems的CTO之后。请参阅本文:“ 量子计算罗斯定律是关于类固醇的摩尔定律 ”或投资公司Draper Fisher Jurvetson,Steve Jurvetson的常务董事Flickr页面:“ 量子计算机的罗斯定律 ”。

罗斯定律

该图表领先于它自己,并且适用于量子退火计算机,它与通用量子计算不完全可比。

摩尔定律不完全具有可比性的原因是,它是指晶体管和完全不同的制造过程,因此您正在将当时建立的制造过程与最早的计算机制造过程进行比较。

维基百科的网页通过以下方式描述了摩尔定律

“摩尔定律是关于密集集成电路中晶体管数量每两年翻一番的观察结果。该观察结果以仙童半导体公司和英特尔共同创始人戈登·摩尔为名,他在1965年的论文中描述了每年在晶体管中成倍增长。每个集成电路的组件数量,并预计这种增长速度至少还会持续十年。1975年,他展望下一个十年,将这一预测修改为每两年翻一番。这一时期通常被称为18个月,因为英特尔高管戴维·豪斯(David House)的分析师,他预测芯片性能每18个月将翻一番(这是更多晶体管的影响和更快晶体管的结合)。”

Gordon E. Moore于1965年创作的图形如下:

摩尔定律

Max Roser和Hannah Ritchie(2018)的文章-“ 技术进步 ”在线发表在OurWorldInData.org上,解释了如何使用指数方程来描述摩尔定律,计算能力(每秒运算和时钟速度*内核)的所有内容*线程),人类逃逸甚至人类基因组DNA测序的进度。

摩尔定律是对历史趋势的观察预测,而不是自然自然定律。尽管从1975年到2012年左右这一比率一直保持稳定,但在第一个十年中该比率更快。Ars Technica的这一功能给人以对个人计算早期的怀旧印象:“ 现代笔记本电脑的创造:深入研究锂离子电池,工业设计,摩尔定律等 ”。

在ACM通讯中,第1卷。60号第一篇文章:“ 计算增长的指数定律 ”作者Denning和Lewis解释:

“如上所述,三种指数级增长-组件,速度和技术采用率翻了一番,都集中在摩尔定律的标题下。因为最初的摩尔定律仅适用于芯片上的组件,不适用于系统的或技术,其他现象也必须起作用。我们将使用摩尔定律将“摩尔定律”用于摩尔提议的规则,将所有其他性能度量(在直线记录纸上绘制为直线)使用“指数增长”。我们能否继续期望技术的计算能力呈指数增长?

指数增长取决于计算生态系统采用的三个级别(请参见此处的表)。如前所述,芯片级是摩尔定律的领域。但是,除非主机系统支持更快的速度并且除非应用程序工作负载提供足够的并行计算工作来保持芯片繁忙,否则更快的芯片无法发挥其潜力。没有用户社区的迅速采用,更快的系统就无法发挥其潜力。在所有三个级别上的改进过程必须是指数级的。否则,系统或社区级别将成为瓶颈,并且我们不会观察到通常被称为摩尔定律的影响。

通过支持的数学模型,我们将展示在各个级别上实现指数加倍的方式。信息技术在能够维持所有三个级别的指数增长方面可能是独特的。我们将得出结论,摩尔定律和指数倍增具有科学依据。而且,指数倍增过程很可能会在未来数十年内持续使用多种技术。

自我实现

摩尔定律所代表的持续成就对数字经济至关重要。经济学家理查德·安德森(Richard G. Anderson)表示:“大量研究已将生产率提高的原因归结为半导体生产中的技术创新,从而极大地降低了此类组件和包含这些组件的产品的价格(并扩大了此类组件的功能。产品。” 1 DARPA微系统技术办公室主任Robert Colwell表示了相同的结论,这就是DARPA投资于克服摩尔定律技术的技术瓶颈的原因。5如果摩尔定律终结,那么这一终结对经济将是深远的。

难怪法律的标准解释是经济的。它成为所有芯片公司的自我实现的预言,以推动该技术满足预期的指数增长并维持其市场。一个自我实现的预言是使自己成为真实的预言。在过去50多年的计算中,设计师一直强调性能。越快越好。为了获得更高的速度,芯片架构师通过在相同的芯片面积和相同的功耗上增加更多的寄存器,更高级别的功能,高速缓存和多个内核来提高组件密度。摩尔定律成为设计目标。”

摩尔定律有很多帮助,塑造未来和保持增长是那些有钱人的目标。不受技术限制的完全限制。如果消费者想要某些东西,有时会提供它,而其他时候会提供更好的主意。流行的东西(时钟速度)以高价出售,而一次却没有被很好地理解的东西(更多的内核和线程)被推广为前进的道路。

摩尔定律广受好评,它演变成许多事物,例如库兹韦尔的《加速回报定律》。这是摩尔定律的更新版本(基于库兹韦尔的图):

库兹韦尔定律

Top500.Org提供的另一种基于事实的图表表示超级计算机功能的指数增长: 超级计算机500强

密苏里科技大学的文章:“ 预测消费者对技术创新的采用:在发布之前为新产品和服务选择合适的扩散模型 ”解释说,巴斯模型(对逻辑曲线的修改)是预测未来的可靠方法增长(基于过去的统计数据)。

Logistic曲线的特征是起步缓慢,中期进展良好,然后最终减速。通常被新事物代替。

逻辑曲线

关于预测模型,作者不得不这样说:

模型

当进行曲线拟合时,Box和Cox模型以及Generalized Bass模型是最好的模型,而Simple Logistic模型最差。但是,研究结果表明,在没有市场历史的情况下为创新创建预测时,曲线拟合优势不会转化为预测优势。Bass模型的流行来自两个独特的因素。随着这项研究的加强,Bass模型非常健壮。另外,Bass模型的两个系数具有理论基础。为此研究创建的Bass模型变体故意违反了常数的假设。这导致了一个模型(Bv)在根本性的低价创新环境下胜过其他任何模型。不幸的是,在这种情况下只有一项创新–建议进行更多研究,以使用各种情况下的更多数据集来测试这种变化的可行性。

简单逻辑模型是已知的最古老的扩散模型之一。这是一个非常基本的模型,但是在真正新的低价创新的背景下,它明显优于其他模型。不建议使用Gompertz模型来预测真正的创新或激进创新的扩散,然后再进行创新。但是,Gompertz模型可能非常适合创新启动后产生的预测。尽管不是本研究的重点,但可以观察到,投影电视创新的传播遵循了完善的Gompertz曲线。

C

摩尔作为英特尔联合创始人的职位有助于确保他能够帮助他实现自己的预测并保持预期。量子计算离它的起源太近了,不能仅仅通过在其上投入资金来推动它前进,因此需要明智地分摊创建成功的量子计算设备的许多途径,以从研究的许多分支中获得最大的收益。

欧洲量子技术路线图》(2017年12月11日)在介绍之后列出了一些挑战:

简介

ñ

(1)一组易于扩展的特征明确的量子位

(2)相干时间足够长以允许相干操作

(3)并且可以设置其初始状态

(4)。该系统的量子位可以通过一组通用门在逻辑上进行操作

(5)最终状态可以测量

(6)。为了进行通信,可以将固定量子比特转换为移动量子比特

(7)忠实传播。

还应理解,与经典计算机相比,对于任何量子计算机的操作而言,纠正不可避免的错误和纠正错误的可能性至关重要。

今天,量子处理器是使用一系列物理系统实现的。迄今为止,在这种量子位的寄存器上运行的量子处理器已经能够证明量子算法和协议的许多基本实例。发展成为功能齐全的大型量子计算机面临可伸缩性挑战,其中包括集成大量量子位和校正量子错误。提出了不同的容错体系结构来应对这些挑战。学术实验室,初创公司和大公司的不断增长的努力清楚地表明,大规模量子计算被认为是一个具有挑战性但潜在的有益目标。”

...

有太多的可供选择的路径,并确定最佳的前进方法,既不能绘制增长模型(如摩尔定律),也不应如此直线。

对于D-Wave的计算机,每个倍的量子比特代表计算能力的两倍,对于它所适合的问题子集,对于通用量子计算机,每个单个的额外量子比特代表功率的两倍。不幸的是,每个单个量子比特需要由多个量子比特表示,以允许纠错并保持一致性。一些用于实现量子位的技术允许使用更少或单个量子位,因为它们不容易出错,并且具有更长的连贯性和更高的保真度。在选择实施哪种技术时,控制速度也是一个重要的考虑因素,尽管它会影响曲线图,但超出了此处提供的答案范围。

进一步阅读:“ 单电子的相干控制:当前进展的综述 ”(2018年2月1日),“ 半导体中掺杂剂核自旋的超细辅助快速电控制 ”(2018年3月30日),“ 保真度大于99.9%点自旋量子比特,其相干性受到电荷噪声的限制 ”(2017年8月4日)。


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不幸的是,已经是2018年了,还没有开发出“比宇宙快”的质量控制方法:(
Tessaracter

3

本文似乎足以解释您的要求。它显示了量子计算机中可用量子位的增长。

因此提出了一个问题,即摩尔定律是否也可以应用于量子量子位。早期证据表明,确实[...]

在此处输入图片说明

绝热线将是对诸如D-Wave计算机之类的量子退火机的预测。到目前为止,它们都遵循了摩尔定律的预测,2011年的D-Wave 1为128量子比特,2013年的D-Wave 2为512量子比特,2015年的D-Wave 2X为1097量子比特,以及2048比特的机器在2017年。[...]

物理曲线预测将可用的物理量子位的数量。关于这些的历史数据较少,但是有迹象表明这些也将迅速发展。例如,IBM有一个5 qubit的计算机,可通过IBM Quantum Experience在云中使用,而Google已展示了9 qubit的计算机。这些公司和其他公司都表示,这些密度将迅速增加,因此“物理曲线”将保持未来10年每年翻一番,此后每两年翻一番的改善率。

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