Google ir NASA, pasikinkę D-Wave, skrieja į kvantinę ateitį

Jie galėtų būti galingiausi kompiuteriai pasaulyje – nenuostabu, kad didžiausia interneto kompanija pasaulyje vieną tokį išbando.

Pernai Google nusipirko kvantinį kompiuterį iš Britų Kolumbijoje, Kanadoje įsikūrusios kompanijos D-Wave Systems, kuri kol kas yra vienintelė firma, kuri teigia parduodanti egzotiškąja fizika pagrįstus lustus. Tačiau šis teiginys yra kontroversiškas; kai kas sako, kad D-Wave dar nepademonstravo savo lusto kvantinių sugebėjimų. Dabar New Scientist tyrimas atskleidžia Google ateities planus, o taip pat rezultatus naujo bandymo, turėjusio išsiaiškinti kvantiškumo kontroversiją.

Teoriškai kvantiniai kompiuteriai (KK) yra nepalyginamai pranašesni už įprastus kompiuterius. Paprasti kompiuteriai koduoja informaciją dvejetainiais bitais, kurių reikšmės gali būti 0 ir 1. Bet kvantinis „kubitas“ gali įgyti abi šias reikšmes tuo pačiu metu. Taip KK gali žaibiškai gliaudyti tam tikras problemas, pavyzdžiui, duomenų bazių paieškos, lyginant netgi su superkompiuteriais. Tokia sparti paieška vilioja tokias kompanijas kaip Google, kurios tvarkosi su milžiniškais duomenų kiekiais.

Žinoma, kvantinis įkvėpimas nėra vien Google sumanymas: jos D-Wave Two KK yra NASA'os Ames tyrimų centre Kalifornijoje ir ją prižiūri Universitetų kosminių tyrimų asociacija (USRA). Remiantis informacijos laisve New Scientist pateiktas prašymas išvysti šalių sudarytą kontraktą atskleidė platų numatomo pritaikymo ratą.

Aukštas taikymasis

Jų bendrus tikslus lengva įvardinti, bet pasiekti sunku: „Siekiama išvystyti kvantinį DI [dirbtinio intelekto] algoritmus, išbandyti juos realaus pasaulio problemų sprendimui ir išmatuoti pranašumus, lyginant su klasikinėmis skaičiavimo mašinomis“.

Tada yra individualūs dalių siekiai. Google nori „revoliucingai naujų galingų kvantinių algoritmų“ pagrindinėms savo operacijoms. Tai yra paieškos rezultatų vertinimas, asmeniniai padėjėjai, reklamų išdėstymas ir brukalų filtravimas.

Asmeniniai padėjėjai gali priminti KK valdomą ir galinčią su jumis plepėti ir juokauti Siri, skaitmeninio Apple asistento, versiją,. Bet nėra garantijos, kad kvantiniai kompiuteriai tai atliks geriau, nei įprasti kompiuteriai. Google nori tai išsiaiškinti pirmieji.

NASA ieškos geresnių algoritmų oro eismo kontrolei, roverių misijų į kitas planetas planavimui, duomenų analizei ir taip toliau. Agentūra pareiškė norinti KK panaudoti egzoplanetų paieškoms.

Taip pat yra planų sujungti D-Wave kompiuterį su NASA Ames superkompiuteriu ir sukurti hibridinius kvantinio–klasikinio DI algoritmus.

Bent jau toks ilgalaikis planas. Tačiau svarbus slenkstis yra įrodyti, kad D-Wave išties gali išspręsti problemas greičiau, nei įprasti PK. Google tyrėjai, darbuodamiesi su NASA ir D-Wave mokslininkais, sakosi gavę pirmuosius įrodymus, kad skaičiavimams naudojami kvantiniai efektai.

Kol kas laboratorijos visame pasaulyje sugebėjo sukurti vos kelis kubitus turinčias mašinas, galinčias išspręsti problemas, kurios neapsunkintų ir kišeninio skaičiuotuvo. Bet nuo 2007 m., kai D-Wave Systems pirmą kartą parodė 16 kubitų lustą, galėjusį, jų teigimu, spręsti sudoku problemas, panaudojus kvantų mechaniką, kubitų skaičius jos kompiuteriuose nuolat augo. D-Wave Two yra apie 500 kubitų, o kitais metais kompanija planuoja išleisti 1152 kubitų versiją.

Tai kaipgi D-Wave pavyksta kubitais aplenkti visus kitus? Kompanija naudoja kitą būdą, nei daugelis šios rinkos žaidėjų, vadinamąjį kvantinį grūdinimą (quantum annealing). Užuot nukreipinėjus kubitus per įprastiniuose kompiuteriuose naudojamą loginių vartų kvantinį analogą, ji paverčia problemą į kalvų ir slėnių peizažą. D-Wave kubitai jį tiria ieškodami žemiausios energijos būsenos, atitinkančios sprendimą. Kad tai veiktų, kubitai turi būti atšaldyti iki įmanomai artimos absoliučiam nuliui temperatūros – lustai laikomi nedidelio kambario dydžio specialiuose šaldikliuose.

Tačiau kritikai sakė, jog neaišku ar energijos peizažo būdas suteiktų kokį pranašumą, ir abejojo, kad D-Wave kompiuteriai yra išties kvantiniai.

Kvantų triauškimas

Įrodyti „kvantigumą“ galima, pavyzdžiui, pademonstruojant, kad kubitai turi susietumo savybę. To tiesiogiai išmatuoti neina, kol D-Wave veikia, tad tai išsiaiškinti reikia kitais būdais. Kompanija publikavo keletą tyrimų, kuriai siekta pademonstruoti tokias savybes, bet pagrindinis, šių savybių panaudojimo skaičiavimuose, klausimas tebeliko atviras.

Dabar Hartmuto Neveno iš Google vadovaujama komanda atskleidė, kas, jų manymu, vyksta viduje (arxiv.org/1411.4036). Jie išsiaiškino, kad kompiuteris geriau dirbo žemesnėje temperatūroje – tai rodytų, kad skaičiavimams buvo panaudojami kvantiniai efektai (žr. „Kvantinis šaltis“).

Nors ir teikiantys daug vilčių, rezultatai nerodo teorijos žadamo sprogdinančio kvantinio pagreitėjimo. Tačiau komanda pabrėžia, kad ligšioliniai pasiekimai yra „didelis žingsnis“ link D-Wave versijos, neturėjusios kvantinių savybių.

„Jei įtaisas nebūtų įveikęs testo, būtume tikri, kad tokių problemų sprendimo kvantiniam paspartinimui šansų nėra,“ sako Matthiasas Troyeris iš ETH Zurich Šveicarijoje, detaliai tyrinėję D-Wave kompiuterius. „Jie matė, kad problemų sprendimui mašina naudoja kvantų mechaniką.“

Bet Troyeris sakė, kad Google šie rezultatai veikiausiai nuvils. „Jie norėjo kažką nurašyti ant pernai metų testų, tai nėra didelis proveržis, kurio jie tikėjosi.“

Spartos priklausomybė nuo temperatūros reiškia, kad D-Wave kompiuterių aušinimas yra gyvybiškai svarbus. Bet New Scientist gavo 2013-07 – 2014-07 pranešimus, kuriuose atskleidžiami NASA Ames vandens tiekimo sunkumai, galėję paveikti kompiuterių aušinimą. „Tai nereiškia, kad sistema neveiks, tiesiog yra didesnė neplanuoto veikimo tikimybė,“ paaiškina Colinas Williamsas iš D-Wave.

„Dirbame drauge su D-Wave ir USRA, stengdamiesi išspręsti vandens tiekimo reikalavimus ir atidžiai stebime situaciją, kad užtikrintume, jog tai nepaveiks sistemos veikimo,“ tvirtina Rupakas Biswasas iš NASA Ames.

Tai gali būti ne vienintelė problema. Google gali kilti sunkumų dėl NASA taikomų vyriausybės draudimų dirbant su Irano piliečiais. 2013 liepos pranešime sakoma, kad vienam Google darbuotojui, turinčiam dvigubą Irano ir Kanados pilietybę, NASA saugumo tarnyba uždraudė D-Wave kompiuterio paskyrą. Google neatsakė į prašymą tai pakomentuoti, o Biswasas sako, kad NASA laikosi JAV vyriausybės politikos.

Google vystė nuosavus kvantinius tyrimus, atskirai nuo D-Wave, pasamdydama Johną Martinisą iš Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje, kad šis sukurtų nuosavą kvantinį grūdintuvą.

Kokie bebūtų firmos tikslai, Troyeris tvirtina, kad vienintelis būdas pasiekti kvantinį pagreitinimą yra naujas aparatas. „Esu visiškai tikras, kad galima sukurti kvantinį grūdintuvą, kuris veikia geriau nei klasikinis kai kurių parinktų problemų sprendimui,“ sako jis, bet ar tai yra komerciškai svarbios problemos, dar neaišku.

Williamsas sako, kad Google sprendimas kurti kvantinį grūdintuvą rodo, jog D-Wave būdas yra geriausias pasirinkimas. „Kadangi tebetęsiame techninį bendradarbiavimą su Google, esu tikras, pasimokysime iš vienas iš kito pastangų,“ sako jis. „Kaip jau buvo daugsyk, kai kritikai komentuoja mūsų technologiją, jų prielaidos jau būna pasenusios.“

Kvantinis šaltis

Siekdami išsiaiškinti, ar Google D-Wave kompiuteris tikrai kvantinis, Hartmutas Nevenas su kolegomis pateikė paprastą problemą: energijos peizažą iš dviejų slėnių, iš kurių vienas žemesnis. Kad rastų teisingą sprendimą, kompiuteris turi pasiekti žemesniojo slėnio dugną, neįkliūdamas kitame, nepateikti neteisingo sprendimo

Tiesos kubitas

Kad gautų teisingą sprendimą, kompiuteris turi pasiekti žemesnįjį slėnį, neįstrigdamas kitame.
Klasikiniams kompiuteriams reikia daugiau energijos persiristi per kalvą, o kvantiniai gali tuneliuoti kiaurai.

D-Wave šią problemą galėjo spręsti dviem būdais. Kvantinę mechaniką naudojantis kompiuteris slėnius skiriančios kalvos perėjimui turėtų sugebėti pasinaudoti kvantiniu tuneliavimu, taip įgaudamas didesnę pasisekimo tikimybę. Tai geriausiai veikia žemoje temperatūroje, kai kvantiniai efektai stipriausi. Tuo tarpu įprastinis kompiuteris teisingą atsakymą didesnę tikimybę turi pateikti aukštesnėje temperatūroje, kur turi pakankamai energijos peršokti per kalvą.

Google duomenys rodo, kad 15 millikelvinų temperatūroje D-Wave turėjo 75 % sėkmingo operacijos atlikimo tikimybę, kuri palaipsniui sumažėja iki maždaug 65 % 35 millikelvinų temperatūroje. „Šiais eksperimentais parodyta akivaizdi temperatūros ir sėkmės tikimybės sąryšio tendencija dera tik su kvantiniais modeliais,“ rašo komanda.

Jacob Aron
New Scientist № 2998