Klausimai ir atsakymai: D-Wave's George'as Rose'as

Vasario 13 d. D-Wave Systems, startuolis Burnaby mieste, Britų Kolumbijoje, pareiškė pademonstravęs pirmąjį pasaulyje komercinį kvantinį kompiuterį.

Kvantinis šaltumas: „Orion“ 16 kubitų procesorius parodytas viršutiniame paveikslėlyje. Jame naudojamas superlaidus metalas, vadinamas niobiu. Atšaldę iki 5 milikelvinų arba 0,005 laipsnių virš absoliutaus nulio, niobio superlaidininko elektronai sudaro daleles, vadinamas Kuperio poromis, kurios gali užimti tą pačią kvantinę būseną. Leiden Cryogenics skiedimo šaldytuvas (vaizdas apačioje) naudojamas Orion lustui atvėsinti iki taško, kad jo niobio puslaidininkyje esantys elektronai pereina į kvantinę būseną.

Kompiuterių istorijos muziejuje Mountain View mieste, Kalifornijoje, įmonės įkūrėjas ir vyriausiasis technologijų pareigūnas Geordie Rose parodė, kaip Orion kompiuteris gali ieškoti baltymų duomenų bazėje ir rasti artimiausią atitikmenį, atrasti optimalią sėdėjimo vietą svečiams vestuvių priėmimas ir išspręsti Sudoku galvosūkį.

Kvantinė kompiuterija, kurią devintojo dešimtmečio pradžioje pirmą kartą pasiūlė fizikai Paulas Benioffas ir Richardas Feynmanas, veikia išnaudodama keistus kvantinės mechanikos neaiškumus. Remiantis kvantinės mechanikos dėsniais, tokios dalelės, kaip elektronas, būsena gali būti neapibrėžta: ji gali būti įjungta arba išjungta, suktis aukštyn arba žemyn.

Todėl kvantiniame kompiuteryje kiekvienas informacijos kvantinis bitas – arba kubitas – gali būti nefiksuotas, tik tikimybė; tai savo ruožtu reiškia, kad kažkokiu paslaptingu būdu kubitas vienu metu gali turėti vieną arba nulį, reiškinys vadinamas superpozicija. Taigi du kubitai gali reikšti keturias skirtingas reikšmes (00, 01, 10 ir 11 dvejetainiu būdu); keturi kubitai gali reikšti šešiolika reikšmių; ir taip toliau. Teoriškai kvantinis kompiuteris galėtų per mažiau nei minutę išspręsti problemas, kurioms išspręsti prireiktų klasikinio kompiuterio tūkstantmečių.

Iki šiol dauguma kvantinių kompiuterių buvo daugiau ar mažiau sėkmingi moksliniai eksperimentai. Nė vienas iš jų nepanaudojo daugiau nei 12 kubitų, o mašinos išspręstos problemos buvo nereikšmingos. Kvantiniai kompiuteriai buvo sudėtingos, sudėtingos mašinos, kuriose naudojami subtilūs lazeriai, vakuuminiai siurbliai ir kitos egzotiškos mašinos, skirtos jų kubitams ganyti.

„D-Wave“ (kuri surinko 44 mln. USD iš investuotojų, tokių kaip rizikos kapitalo įmonė „Draper Fisher Jurvetson“) teigia, kad jai pavyko sukurti praktišką kvantinį kompiuterį, naudojant paprastą dizainą, gautą iš technologijų, jau naudojamų standartinių kompiuterių lustų gamybai. Bendrovė „Orion“ apibūdina kaip 16 kubitų adiabatinį kvantinį kompiuterį, pastatytą aplink lustą, pagamintą iš metalo, vadinamo niobiu, kuris, pakankamai šaltas, tampa superlaidininku. Atšaldyti skysto helio vonioje iki beveik –273 ºC, niobio superlaidininko elektronai sudaro daleles, vadinamas Kuperio poromis, kurios gali užimti tą pačią kvantinę būseną, todėl Orionas gali apskaičiuoti kvantinius algoritmus.

Herbas Martinas, „D-Wave“ generalinis direktorius, teigia, kad dėl šio nesudėtingo dizaino „Orion“ vėliau šiais metais bus galima pritaikyti 512 kubitų aparatą, o iki 2008 m. vidurio – iki 1 024 kubitų kompiuterio.

Tačiau kompiuterių mokslininkai, besispecializuojantys kvantinėje kompiuterijoje, labai skeptiškai žiūrėjo į D-Wave demonstraciją. „D-Wave“ nepateikė jokių įrodymų, patvirtinančių savo teiginius: ji paskelbė tik eskiziausias detales apie vidinį „Orion“ veikimą. Tai, ką žino kompiuterių mokslininkai, jų nesužavi.

Scottas Aaronsonas, teorinis kompiuterių mokslininkas iš Kvantinio skaičiavimo instituto Vaterlo mieste, Ontarijo valstijoje, ir daug skaitomo tinklaraščio autorius. „Shtetl-Optimized“. , pradėjo priekaištus, kai pasmerkė Orioną už tai, kad jis toks pat naudingas sprendžiant problemas kaip ir jautienos sumuštinis.

Apie Geordie Rose'o teiginius, kad jis sukūrė pirmąjį praktinį kvantinį kompiuterį, Aaronsonas elektroniniame laiške parašė: „Kad ir ką D-Wave būtų padaręs ar nepadaręs, tai gali būti akimirksniu atmesta kaip ažiotažas. Jei sakydamas „praktiškas“ jis reiškia gebėjimą išspręsti praktines problemas greičiau nei esami klasikiniai kompiuteriai, tai akivaizdžiai klaidinga. Jei jis turi galimybę išspręsti mažas demonstracines problemas, jis buvo sumuštas daugybės žmonių. Taigi nesugalvoju jokios interpretacijos, pagal kurią jis sako tiesą.

Aaronsono rūstus tonas buvo tipiškas. Kalifornijos universiteto Berklio informatikos profesorius Umeshas Vazirani teigė, kad „D-Wave“ klaidina visuomenę, vadindama savo įrenginį „praktiniu kvantiniu kompiuteriu“. Visa kvantinio skaičiavimo esmė yra pasiekti didelį pagreitį, palyginti su klasikiniais kompiuteriais. , ko D-Wave nepadarė.

kažkas demonstravimo metu išsprendė problemas, tačiau tai nebūtinai gali būti kvantinis kompiuteris. Visų pirma, kompiuterių mokslininkai nežino, kaip gerai Orionas ištaiso klaidų, kurias sukelia šiluminis triukšmas ir kubitų dekoherencijos, skaičių, kuris yra susijęs su bet kokiu kvantiniu skaičiavimu. Kad kvantinis kompiuteris veiktų, šios klaidos turi būti kruopščiai valdomos. Iš tiesų, pasak visų kompiuterių mokslininkų, kam Technologijų apžvalga kalbėjo, nes „Orion“ gali veikti kaip gana lėtas analoginis kompiuteris, gali būti, kad „Orion“ iš tikrųjų visiškai neatliko kvantinių operacijų, kai buvo demonstruojamas Kompiuterių istorijos muziejuje.

Ar D-Wave tikrai įdiegė 16 kubitų kvantinį kompiuterį, ar jų kubitai taip greitai dekoheruoja, kad iš tikrųjų įgyvendina klasikinį algoritmą? – paklausė Vazirani. D-Wave nepateikė jokių įrodymų, patvirtinančių pirmąją galimybę, o ne antrąją.

Dosniausi kvantinės kompiuterijos mokslininkai pripažins, kad D-Wave lošė įdomų lošimą.

Nelabai išmanau apie verslą, bet įsivaizduoju, kad D-Wave samprotavimai yra maždaug tokie, – sakė MIT mechanikos inžinerijos profesorius Sethas Lloydas, pasiūlęs pirmąjį technologiškai įmanomą kvantinio kompiuterio dizainą. Tarkime, kad tikimybė, kad adiabatinis kvantinis skaičiavimas neveiks, yra 10:1, todėl tikėtina, kad įmonė žlugs. Bet jei pavyks, tada jie apsivalys. Tai, ką daro D-Wave, vargu ar pavyks, tačiau tai nėra donkichotiška.

Mes paprašėme Geordie Rose apginti Orioną savo kritikams.

Jasonas Pontinas : Ar iš tikrųjų pademonstravote pirmąjį pasaulyje praktinį kvantinį kompiuterį?

Džordžas Rožė : Taip.

JP : Na, tai buku. Ar tikrai gedimams atsparus adiabatinis kompiuteris yra kvantinis kompiuteris?

GR : Taip.

JP : Bijau, kyla klausimas: ar „Orion“ yra atsparus gedimams?

GR : Taip tai yra.

JP : Tikrai?

GR : Jei norite, kad paaiškinčiau, galiu.

JP : Tai būtų puiku.

GR : Čia yra dvi skirtingos sąvokos. Gedimų tolerancija visų pirma yra susijusi su tuo, ar procesorius ir toliau veiks taip, kaip buvo sukurtas esant gedimams. Sistemoje, kurią eksploatavome demonstravimo metu, lustas turėjo 2 sugedusius komponentus iš 56 ir daiktas veikė gražiai esant tiems gedimams. Taigi „Orion“ yra visiškai atsparus gedimams. Nėra jokio klausimo. Mes tai įrodėme. Bet aš manau, kad jūs tikrai klausiate apie dekoherenciją.

JP : Aš esu.

GR : Triukšmas kvantiniame kompiuteryje gali sukelti klaidų. Jei norite nuosekliai paleisti kvantinį kompiuterį, kad galėtumėte daryti viską, ką gali padaryti kvantinis kompiuteris, turite aktyviai šalinti klaidas. Pagal mūsų požiūrį, adiabatinį modelį, įrenginio fizika labai skiriasi nuo įprastų kvantinių kompiuterių, pavyzdžiui, vartų modelių. Kad mūsų požiūriu iš viso įvyktų klaida, reikia tiekti tam tikrą energijos kiekį, kurį fizikai vadina energijos atotrūkiu. Jei triukšmas neturi bent tiek energijos, jis nieko blogo padaryti negali. Taigi, jei nepateikiate tiek energijos, atsiranda natūralus tarpas, apsaugantis sistemą nuo triukšmo. Žinoma, kad adiabatiniai kvantiniai kompiuteriai yra daug atsparesni triukšmui nei kiti metodai.

JP : Ar tikrai teigiate, kad „Orion“ gali išspręsti visas NP problemas? [NP-užbaigtos problemos, iš kurių garsiausia yra keliaujančio pardavėjo problema, yra sudėtingiausios problemos sudėtingumo teorijoje, kurių sprendimas gali būti veiksmingai patikrintas. Labai dažni realiame gyvenime, juos sunku išspręsti, nes atrodo, kad jų sprendimui reikia atsižvelgti į kiekvieną kintamųjų rinkinio permutaciją, o tam reikia laiko, kuris didėja eksponentiškai didėjant kintamųjų skaičiui. Kompiuterių mokslininkai abejoja, ar visos NP problemos gali būti išspręstos per bet kokį protingą laiką. Rose sukėlė ginčų teigdama, kad „Orion“ gali sukurti apytikslius sprendimus, kurie yra pakankamai geri verslui.]

GR : Jis išsprendžia juos ta prasme, kad pateikia apytikslius sprendimus dalykams, kurie yra pakankamai geri ta prasme, kad atitinka vartotojo reikalavimus. Šios klasės problemų versle yra visur. Įtariama, kad jokia mašina, nepriklausomai nuo rūšies, negali efektyviai ir tiksliai išspręsti tokio pobūdžio problemų, bent jau blogiausiu atveju. Tačiau tai yra pernelyg griežtas sprendimo apibrėžimas. Paprastai, jei įmonė turi vieną iš šių problemų, įtrauktų į kasdienes operacijas, jai išspręsti naudojama vadinamoji euristika, kuri yra nykščio taisyklių rinkinys, greitai pateikiantis gerus apytikslius sprendimus. Mūsų mašinos paskirtis yra konkuruoti su ta euristika. Neteiginame, kad galime tiksliai ir efektyviai išspręsti blogiausio atvejo problemas, ne – bet mes yra teigia, kad šis dalykas bus konkurencingas ir galiausiai pranoks visus įprastus šių problemų sprendimo būdus.

JP : Nesu matematikas, bet groju per televiziją. O kaip su PCP teorema, kuri sako, kad apytikslis sprendimas šiais atvejais yra toks pat sunkus kaip ir geriausias sprendimas?

GR : Tai priklauso nuo to, ką reiškia apytikslis.

JP : Na, pasakyk man ką tu reiškia apytikslis. Ar Geordie Rose vartoja apytikslę tam tikra prasme, kurios niekas kitas nenaudoja?

GR : Apytikslis reiškia kažką specifinio informatikos srityje. Tai nėra taip, kaip šis terminas paprastai vartojamas versle. Taigi, pasakykite, kad dar turite pasirinkti maršrutą per daugybę miestų –

JP : Keliaujančio pardavėjo problema?

GR : Taip, pavyzdžiui. Bet koks maršrutas yra sprendimas. Bet koks maršrutas taip pat yra apytikslis sprendimas. Koks geras apytikslis sprendimas, kažkaip skiriasi jūsų turimas ir geriausias įmanomas sprendimas. Taigi, sprendimams tobulėjant, jie tampa vis mažiau apytiksliai. Taigi, tai, ką informatikai šiais atvejais paprastai supranta sakydami apytiksliai, yra labai konkretus, koks yra aproksimacija, ir jie paprastai reiškia kažką, kas yra labai artima tiksliam.

JP : Norite pasakyti, kad vartodami apytikslį šia prasme, vartojate žodį taip, kaip jį vartotų verslininkai, o ne kaip informatikai?

GR : Tai ta pati prasme, kurią žmonės naudoja šiandien spręsdami šias problemas. Jums reikia sprendimo; jums labiau patiktų toks sprendimas, kuris būtų geriausias galimas sprendimas, atsižvelgiant į turimus išteklius, ir tai pagal bet kokį apibrėžimą yra apytikslis sprendimas. Norėtumėte, kad būtų geriau, bet tie dalykai jums nepasiekiami dėl problemos pobūdžio. Taigi ši mūsų sukurta mašina skirta konkuruoti su mašinomis, kurios teikia tokius sprendimus.

JP : Scottas Aaronsonas sakė, kad „Orion“ buvo toks pat naudingas kaip ir jautienos kepsnio sumuštinis. Jūs akivaizdžiai manote, kad tai įžeidžianti; bet ar nepripažintumėte, kad jūsų kompiuteris nėra labai naudingas, nes jis sprendžia problemas lėčiau nei klasikinis kompiuteris?

GR : Demonstracinės versijos tikslas nebuvo parodyti našumo pranašumą prieš įprastas sistemas. Jo tikslas buvo atlikti sistemos koncepcijos įrodymą ir paleisti komerciškai santykines programas kvantiniame kompiuteryje, o tai niekada nebuvo padaryta anksčiau – net iš arti. Tai gerokai viršija technikos lygį. Taigi, kalbant apie laiką, kurio reikia problemoms išspręsti, šiuo metu „Orion“ yra maždaug 100 kartų lėtesnis nei kompiuteris, kuriame veikia geriausi algoritmai. Jei būtumėte ekspertas, galėtumėte nustatyti gerą algoritmą žiniatinklyje, išleisti 1000 USD asmeniniam kompiuteriui ir galėtumėte įveikti sistemą 100 kartų. Taigi šia prasme Scottas teisus, nors tai ir nėra esmė.

JP : Na, kokia tada prasmė?

GR : Esmė ta, kad demonstracija parodo aiškų kelią nuo to, kur esame šiandien, į ateitį. Tos ateities mašinos bus žymiai geresnės.

JP : Planas yra 2008 m. pademonstruoti 1024 kubitų mašiną?

GR : Taip, iki 2008 m. vidurio. Tačiau prieš tai turėsime internetinę sistemą, kuria galės naudotis žmonės ir kuriai jie galės programuoti programas.

JP : Tai atrodo neįtikėtinai greitai. Kaip tai padarysi?

GR : Na, reikia padaryti tris dalykus.

Pirma, procesoriaus, ypač įvesties-išvesties sistemų, dizainas turi būti keičiamas ne tik iš esmės, bet ir praktiškai. Dauguma pasiūlymų, kurie buvo pateikti dėl kvantinio skaičiavimo architektūrų, iš tikrųjų visi iki šiol, nėra keičiami šia prasme. Mūsų atveju manome, kad radome kelią į tikrą aparatinės įrangos mastelį. Svarbiausias dalykas, kurį reikia išspręsti, yra klausimas, kaip gauti informaciją į lustą ir iš jo. Manome, kad radome būdą, kaip išspręsti šią problemą.

Antras dalykas yra tai, kaip jūs jį kuriate, ir tai yra gamybos problema. Viena iš priežasčių, kodėl pasirinkome tokį metodą, yra ta, kad grandinės, kurias naudojame kaip šių dalykų pagrindą, gali būti suprojektuotos, pastatytos ir išbandytos naudojant standartines puslaidininkių procedūras. Taigi mums nereikia išradinėti jokios naujos gamybos technologijos, išskyrus tai, kad procesas vyktų pirmiausia.

Trečias dalykas, į kurį tikriausiai sunkiausia atsakyti, yra toks: ar galime jį sukurti ir siųsti informaciją iš jo ir iš jo, ar iš tikrųjų jis ir toliau veiks kaip kvantinis kompiuteris? Tai yra klausimas, į kurį šiuo metu tiesiog negalime atsakyti, nes niekas nesugebėjo modeliuoti tokio lygio sistemų su jokia nuspėjamumo galimybe. Tai per daug sudėtinga. Tai klausimas, į kurį galima atsakyti tik empiriškai. Taigi mūsų filosofija yra, kiekvieną mėnesį padarykite naują procesorių. Tarkime, kad turime 12 kartų per metus, atrodo, kad kažkas neveikia; galime tai išspręsti pakartotinai perprojektuodami.

JP : Kuo jūsų komercinis požiūris skiriasi nuo akademijos?

GR : Akademiko požiūris nebūtinai blogesnis nei mūsų, bet kitoks. Mūsų požiūris yra įmesti į lustą kuo daugiau kubitų, išspręsti tikras problemas, o tada naudoti tų problemų našumą kaip metriką, pagal kurią įvertinate, kas geriau ir kas blogiau. Taigi, kai padidinate mašinos pajėgumą, padidinate mašinos galimybes greičiau išspręsti problemas ir didesnes problemas. Palyginti su akademiniais metodais, mūsų požiūris yra greitas ir nešvarus, nors nemanau, kad jis yra mažiau atsargus.

JP : Kokius dalykus galėčiau padaryti su 1 024 kubitų kvantiniu kompiuteriu?

GR : Yra daug ir daug esamų komercinių programų, kurioms reikalingas optimalus problemos sprendimas su daugybe kintamųjų. Pavyzdžiui, kuriant lustą, daugelis problemų, susijusių su aparatūros projektavimo patikrinimu, yra tokios. Taip pat yra daug finansų inžinerijos programų, kurias investiciniai bankai labai domėjosi kartu su mumis: tokie dalykai kaip portfelio optimizavimas, rizikos mažinimas, išvestinių finansinių priemonių pasirinkimas ir įkainojimas. Be to, kiekviena pasaulyje egzistuojanti planavimo problema yra viena iš šių problemų. Galite įsivaizduoti ką nors panašaus į aviakompaniją ar federalinę vyriausybinę organizaciją, kuri turėjo suplanuoti daug žmonių, kai kyla įvairiausių klausimų, kas kur dirba, kas ką ir kodėl gauna. Šios problemos sukuria didžiulius konfliktų sprendimo scenarijus, kurių šiais laikais tiesiog neįmanoma valdyti. Jas per sunku išspręsti per ilgą laiką, per kurį žmonės nori jas išspręsti. Manau, kad ateityje tai atrodys taip, kad kiekvienas, turintis reikšmingą tvarkaraštį, maršrutą, planavimą, pritaikymą – visa tai programos bus perkeltos į mūsų įrenginius, kurie bus pasiekiami internete.

paslėpti