Квантові комп'ютери D-Wave відкриють нові способи аналізу даних

Квантові комп'ютери вважаються перспективним інструментом, здатним вирішувати багато ресурсомісткі завдання набагато ефективніше класичних обчислювальних систем. Найвідомішими сьогодні залишаються пристрої канадської компанії D-Wave, хоча сама квантова природа цих комп'ютерів довгий час викликала сумніви. Причинами цього були убогість опису принципів роботи, мале число незалежних випробувань і наукових публікацій. Після ряду успішних угод керівництво компанії вирішило відкрити завісу таємниці. В останньому випуску Nature Physics представлені результати тестування моделі D-Wave One.

Ця система була продемонстрована в 2011 році, ставши третьою розробкою компанії. Вона відноситься до найбільш простому (і надійному) типу квантових комп'ютерів - адіабатичному надпровідного. Такі системи можуть вирішувати тільки один тип математичних завдань (в даному випадку - виконувати дискретну оптимізацію). Шуканий результат визначається в результаті зміни енергетичного стану всіх кубітів.

На фізичному рівні кубіти в D-Wave One представлені джозефсоновские переходах - розривами електричного кола з декількох атомів діелектрика. Об'єднуючись попарно, ці переходи формують SQUID, або квантовий інтерферометр. Надпровідний струм здатний долати ділянки мікророзривів за рахунок ефекту тунелювання електронів. Вони утворюють куперовские пари і набувають додаткову енергію. Після проходження електронами джозефсоновские переходу ця енергія виділяється у вигляді електромагнітного випромінювання, частота якого залежить від величини падіння напруги.

Квантові комп'ютери вважаються перспективним інструментом, здатним вирішувати багато ресурсомісткі завдання набагато ефективніше класичних обчислювальних систем

Джозефсонівських перехід (зображення: geekexchange.com).

Вимірювання частоти ЕМВ лежить в основі квантових обчислень D-Wave. Для забезпечення необхідної точності блок з набором кубітів охолоджують майже до температури абсолютного нуля і додатково екранують від зовнішніх електромагнітних впливів.

Відомо, що Lockheed Martin і Google вже купили перші моделі машини D-Wave і висловили зацікавленість в придбанні пристроїв наступних поколінь. Побічно це підтверджує ефективність підходу D-Wave, однак в науковому світі прийнято інші критерії достовірності.

Опубліковане в Nature Physics дослідження було виконано міжнародною групою фахівців, до якої увійшли представники університетів Лос-Анджелеса і Санта-Барбари, відділу квантових обчислень і архітектур Microsoft, а також інституту теоретичної фізики Швейцарії.

Зі ста двадцяти восьми кубітів D-Wave One безпосередньо в рішенні задач були задіяні сто тисяч і вісім. Знаючи декларовані особливості архітектури, дослідники провели серію обчислень, спробували встановити залежність між складністю завдання і часом її виконання і прийшли до наступного висновку: «Вивчивши кореляції, ми переконалися, що продуктивність пристрою не відповідає класичним алгоритмам нормалізації. Навпаки, ми виявили добру кореляцію з моделями квантової нормалізації ».

http://youtu.be/xXfSt3H2DP0

Оцінка обчислювальної потужності пристрою поки утруднена через специфічний спосіб вирішення прикладних завдань. D-Wave One не так програмується, скільки перенастраивается кожен раз для виконання чергового завдання. Мінімальна «чисте» час вирішення склало 5 мкс. Порівнювати його з швидкодією класичних комп'ютерах було б не цілком коректно, зате (виходячи із загальної архітектури) можна екстраполювати цей результат на моделі з бόльшім числом кубітів.

Як пояснив один з авторів дослідження Даніель Лідар (Daniel A. Lidar), серед цілей експерименту був не тільки пошук доказів квантової природи обчислень D-Wave One. «Наша робота - частина великомасштабної програми наукового співтовариства, спрямованої на вивчення потенціалу квантової обробки інформації, який, як всі ми сподіваємося, одного разу зможе перевершити класичні аналоги», - пише Лідар в прес-релізі, опублікованому на сайті університету.

Квантовий комп'ютер D-Wave Two (фото: dwavesys.com).

Сьогодні системи D-Wave ще не здатні виконувати практичні завдання більш ефективно, ніж звичайні комп'ютери. Це лише перші фізичні моделі, завдяки яким можна розробити нові методи вирішення математично складних завдань.

Нове покоління адіабатичного квантового комп'ютера D-Wave являє собою більш серйозну машину. D-Wave Two використовує понад 500 кубітів. Якби всі вони були безпосередньо пов'язані між собою, можна було б очікувати прискорення на сто порядків. Насправді кубіти з'єднані тільки з сімома безпосередніми сусідами, тому D-Waver Two всього лише в 300 тисяч разів могутніше, ніж D-Wave One.

Консультують D-Wave Systems Катерина Макджош порівняла продуктивність D-Wave Two з продуктивністю потужної робочої станції, побудованої з традиційного для ПК «заліза». Для цього вона використовувала пакет CPLEX, призначений для вирішення завдань лінійного і квадратичного програмування. D-Wave Two переміг з великою перевагою: він виявився в 3 600 разів швидше. Для того щоб видати сотню рішень, йому вистачало половини секунди. Робочі станції витрачали на ту ж задачу близько півгодини.

Такий виграш можливий тільки на досить обмеженому колі завдань. Проте компанії і організації, які з ними стикаються, все уважніше придивляються до машин D-Wave. Не виключено, що вони відкриють більш ефективний метод аналізу даних.

Раніше фахівці D-Wave демонстрували використання адіабатичного комп'ютера для розрахунку фолдинга білків. Співробітники Google обкатував на ньому алгоритми розпізнавання візуальних образів і різних патернів. Інші завдання з області машинного навчання тестувалися на D-Wave в лабораторії штучного інтелекту дослідного центру NASA. Варіантів використання квантових комп'ютерів багато, але саме щедре фінансування поки йде з боку військово-промислового комплексу через компанію Lockheed Martin.