Jautājumi un atbildes: D-Wave Džordijs Rouzs

13. februārī D-Wave Systems, jaunuzņēmums, kas atrodas Bērnabijā, Britu Kolumbijā, apgalvoja, ka ir demonstrējis pasaulē pirmo komerciālo kvantu datoru.

Kvantu aukstums: Orion 16 kubitu procesors ir parādīts augšējā attēlā. Tas izmanto supravadošu metālu, ko sauc par niobiju. Atdzesējot līdz 5 milikelviniem jeb 0,005 grādiem virs absolūtās nulles, niobija supravadītāja elektroni veido daļiņas, ko sauc par Kūpera pāriem, kas var ieņemt to pašu kvantu stāvokli. Leiden Cryogenics atšķaidīšanas ledusskapis (attēls apakšā) tiek izmantots, lai Orion mikroshēmu atdzesētu līdz tādam līmenim, ka elektroni tā niobija pusvadītājā nonāk kvantu stāvoklī.

Datoru vēstures muzejā Mountain View, Kalifornijā, uzņēmuma dibinātājs un galvenais tehnoloģiju vadītājs Džordijs Rouzs parādīja, kā Orion dators var meklēt proteīnu datu bāzē un atrast tuvāko atbilstību, atklāt optimālo sēdvietu izkārtojumu viesiem plkst. kāzu pieņemšanu un atrisināt Sudoku mīklu.

Kvantu skaitļošana, ko 1980. gadu sākumā pirmo reizi ierosināja fiziķi Pols Beniofs un Ričards Feinmens, darbojas, izmantojot dīvainās kvantu mehānikas neskaidrības. Saskaņā ar kvantu mehānikas likumiem daļiņas, piemēram, elektrona, stāvoklis var būt nenoteikts: tas var būt ieslēgts vai izslēgts, griezties uz augšu vai uz leju.

Tāpēc kvantu datorā katrs informācijas kvantu bits jeb kubits var būt nefiksēts, tikai varbūtība; tas savukārt nozīmē, ka kādā mistiskā veidā kubīta vērtība vienlaikus var būt viena vai nulle, parādība, ko sauc par superpozīciju. Tādējādi divi kubiti var attēlot četras dažādas vērtības (00, 01, 10 un 11 binārajā apzīmējumā); četri kubiti var attēlot sešpadsmit vērtības; un tā tālāk. Teorētiski kvantu dators varētu atrisināt mazāk nekā minūtē problēmas, kuru atrisināšanai klasiskajam datoram būtu nepieciešami tūkstošiem gadu.

Līdz šim lielākā daļa kvantu datoru ir bijuši vairāk vai mazāk veiksmīgi zinātniski eksperimenti. Neviens no tiem nav izmantojis vairāk par 12 kubitiem, un problēmas, ko mašīnas ir atrisinājušas, ir bijušas niecīgas. Kvantu datori ir bijuši sarežģītas, smalkas iekārtas, kurās izmanto smalkus lāzerus, vakuumsūkņus un citas eksotiskas iekārtas, lai ganītu savus kubitus.

D-Wave (kas ir piesaistījis 44 miljonus USD no investoriem, piemēram, riska kapitāla firmas Draper Fisher Jurvetson) apgalvo, ka tai ir izdevies izveidot praktisku kvantu datoru, izmantojot vienkāršu dizainu, kas iegūts no tehnoloģijām, kas jau izmantotas standarta datoru mikroshēmu izgatavošanai. Uzņēmums Orion raksturo kā 16 kubitu adiabātisko kvantu datoru, kas veidots ap mikroshēmu, kas izgatavota no metāla, ko sauc par niobiju, kas, pietiekami auksts, kļūst par supravadītāju. Atdzesēti šķidra hēlija vannā līdz gandrīz –273 ºC, niobija supravadītāja elektroni veido daļiņas, ko sauc par Kūpera pāriem, kas var ieņemt vienu un to pašu kvantu stāvokli, tādējādi ļaujot Orionam aprēķināt kvantu algoritmus.

Herbs Mārtins, D-Wave izpilddirektors, saka, ka šī nekomplicētā konstrukcija ļaus Orion mērogot līdz 512 kubitu mašīnai vēlāk šogad un līdz 1024 kubitu datoram līdz 2008. gada vidum.

Bet datorzinātnieki, kas specializējas kvantu skaitļošanā, ir ļoti skeptiski noskaņoti pret D-Wave demonstrāciju. D-Wave nesniedza nekādus pierādījumus, lai pamatotu savus apgalvojumus: tas ir publicējis tikai vissīkākās detaļas par Orion iekšējo darbību. Tas, ko zina datorzinātnieki, viņus nepārsteidz.

Skots Āronsons, teorētiskais datorzinātnieks Kvantu skaitļošanas institūtā Vaterlo, Ontario, un daudz lasīta emuāra autors ar nosaukumu Shtetl-Optimized , iesāka neapmierinātību, kad viņš nosodīja Orionu par to, ka tas ir tikpat noderīgs problēmu risināšanā kā cepta liellopa gaļas sviestmaize.

Par Džordija Rouza apgalvojumiem, ka viņš ir uzbūvējis pirmo praktisko kvantu datoru, Āronsons e-pastā rakstīja: Neatkarīgi no tā, ko D-Wave būtu darījis vai nedarītu, to var uzreiz noraidīt kā ažiotāžu. Ja ar “praktisko” viņš domā spēju atrisināt praktiskas problēmas ātrāk nekā esošie klasiskie datori, tad tas ir acīmredzami nepatiess. Ja viņš domā, ka viņš spēj atrisināt nelielas demonstrācijas problēmas, viņu ir piekāvuši daudzi cilvēki. Tāpēc es nevaru iedomāties nevienu interpretāciju, saskaņā ar kuru viņš stāsta patiesību.

Āronsona dusmīgais tonis bija raksturīgs. Kalifornijas Universitātes Bērklijā datorzinātņu profesors Umešs Vazirani sacīja, ka D-Wave maldina sabiedrību, nosaucot viņu ierīci par “praktisku kvantu datoru”. Viss kvantu skaitļošanas mērķis ir panākt lielu ātrumu salīdzinājumā ar klasiskajiem datoriem. , ko D-Wave nav paveicis.

kaut ko atrisināja problēmas demonstrācijā, taču tas var nebūt kvantu dators. Jo īpaši datorzinātnieki nezina, cik labi Orion koriģē kļūdu krescendo, ko izraisa termiskais troksnis un kubitu dekoherence, kas ir saistīta ar jebkuru kvantu aprēķinu. Šīs kļūdas ir rūpīgi jāpārvalda, lai kvantu dators darbotos. Patiešām, pēc visu datorzinātnieku domām, kam Tehnoloģiju apskats runāja, jo Orion var darboties kā diezgan lēns analogais dators, iespējams, ka Orion patiesībā nemaz neveica kvantu darbības, kad tas tika demonstrēts Datorvēstures muzejā.

Vai D-Wave patiešām ir ieviesis 16 kubitu kvantu datoru, vai arī to kubiti tiek atdalīti tik ātri, ka viņi faktiski ievieš klasisko algoritmu? jautāja Vazirani. D-Wave nav sniedzis nekādus pierādījumus, lai atbalstītu pirmo iespēju salīdzinājumā ar otro.

Dāsnākie kvantu skaitļošanas zinātnieki atzīs, ka D-Wave ir spēlējis interesantu azartspēli.

Es nezinu daudz par biznesu, bet es iedomājos, ka D-Wave argumentācija ir aptuveni šāda, sacīja Sets Loids, MIT mašīnbūves profesors, kurš ierosināja pirmo tehnoloģiski īstenojamo kvantu datora dizainu. Pieņemsim, ka izredzes ir 10 pret 1 pret adiabātiskās kvantu skaitļošanas darbību, tāpēc uzņēmums, visticamāk, neizdosies. Bet, ja tas izdosies, viņi tīrīs. Tas, ko dara D-Wave, visticamāk neizdosies, taču tas nav donkihotisks.

Mēs lūdzām Džordiju Rouzu aizstāvēt Orionu saviem kritiķiem.

Džeisons Pontins : Vai jūs patiesībā demonstrējāt pasaulē pirmo praktisko kvantu datoru?

Džordijs Roze : Jā.

JP : Nu, tas ir strupi. Vai patiesi defektu izturīgs, adiabātisks dators ir kvantu dators?

GR : Jā.

JP : Tas rada šo jautājumu, baidos: vai Orion ir izturīgs pret defektiem?

GR : Jā, tā ir.

JP : Tiešām?

GR : Ja vēlaties, lai es paskaidroju sīkāk, es varu.

JP : Tas būtu jauki.

GR : Šeit ir divi dažādi jēdzieni. Kļūdu tolerance pirmām kārtām ir saistīta ar to, vai procesors kļūdu gadījumā turpinās darboties tā, kā tas bija paredzēts. Sistēmā, ar kuru mēs darbojāmies demonstrācijas laikā, mikroshēmā bija 2 bojāti komponenti no 56, un lieta darbojās skaisti šo kļūdu klātbūtnē. Tātad Orion ir absolūti izturīgs pret kļūmēm. Nav nekādu jautājumu. Mēs to esam pierādījuši. Bet es domāju, ka jūs patiešām jautājat par nesaskaņotību.

JP : ES esmu.

GR : trokšņa klātbūtne kvantu datorā var izraisīt kļūdas. Ja vēlaties saskaņoti darbināt kvantu datoru, lai varētu darīt jebko, ko vien spēj kvantu dators, jums aktīvi jānoņem kļūdas. Mūsu pieejā, adiabātiskajā modelī, ierīces fizika ievērojami atšķiras no parastajiem kvantu datoriem, piemēram, vārtu modeļiem. Lai mūsu pieejā vispār notiktu kļūda, jums ir jāpiegādā noteikts enerģijas daudzums, ko fiziķi sauc par enerģijas plaisu. Ja troksnim nav vismaz tik daudz enerģijas, tas neko sliktu nevar nodarīt. Tātad, ja jūs nepiegādājat tik daudz enerģijas, pastāv dabiska plaisa, kas aizsargā sistēmu no trokšņa. Ir zināms, ka adiabātiskie kvantu datori ir daudz izturīgāki pret troksni nekā citas pieejas.

JP : Vai jūs tiešām apgalvojat, ka Orion var atrisināt NP pilnīgas problēmas? [NP-pilnīgas problēmas, no kurām slavenākā ir ceļojošā pārdevēja problēma, ir sarežģītības teorijas grūtākās problēmas, kuru risinājumu varētu efektīvi pārbaudīt. Ļoti bieži reālajā dzīvē tos ir grūti atrisināt, jo šķiet, ka to risināšanai ir jāapsver katra mainīgo kopas permutācija, kas prasa laiku, kas eksponenciāli palielinās līdz ar mainīgo skaitu. Datorzinātnieki šaubās, vai NP pilnīgas problēmas var atrisināt jebkurā saprātīgā laika posmā. Rose ir izraisījusi strīdus, apgalvojot, ka Orion varētu radīt aptuvenus risinājumus, kas ir pietiekami labi biznesam.]

GR : Tas atrisina tos tādā nozīmē, ka sniedz aptuvenus risinājumus lietām, kas ir pietiekami labas tādā ziņā, ka tās atbilst lietotāja prasībām. Šīs problēmu kategorijas biznesā ir visuresošas. Ir aizdomas, ka neviena mašīna, neatkarīgi no veida, nevar efektīvi un precīzi atrisināt šāda veida problēmas, vismaz sliktākajā gadījumā. Bet tā ir pārāk ierobežojoša definīcija tam, ko nozīmē atrisināt. Parasti, ja uzņēmuma ikdienas darbībā ir iestrādāta kāda no šīm problēmām, tas tās risināšanai izmanto tā saukto heiristisko metodi, kas ir īkšķa noteikumu kopums, kas ātri sniedz labus aptuvenus risinājumus. Mūsu mašīnas paredzētais mērķis ir konkurēt ar šīm heiristikas metodēm. Mēs neapgalvojam, ka varam precīzi un efektīvi atrisināt sliktākā gadījuma problēmas, nē, bet mēs ir apgalvojot, ka šī lieta būs konkurētspējīga un galu galā pārspēs visas parastās pieejas šo problēmu kopumu risināšanā.

JP : Es neesmu matemātiķis, bet es tādu spēlēju televīzijā. Kā ir ar PCP teorēmu, kas saka, ka aptuvens risinājums šajos gadījumos ir tikpat grūts kā labākais risinājums?

GR : Tas ir atkarīgs no tā, ko jūs domājat ar aptuvenu.

JP : Nu, pasaki man ko tu nozīmē aptuvens. Vai Džordijs Rouzs lieto aptuvenu kādā īpašā nozīmē, ko neviens cits neizmanto?

GR : Aptuvens nozīmē kaut ko specifisku datorzinātnēs. Tas nav veids, kā šis termins parasti tiek lietots biznesā. Tātad, sakiet, ka jums vēl ir jāizvēlas maršruts cauri daudzām pilsētām -

JP : Ceļojošā pārdevēja problēma?

GR : Jā, piemēram. Jebkurš maršruts ir risinājums. Jebkurš maršruts ir arī aptuvens risinājums. Cik labs ir aptuvenais risinājums, ir atšķirība starp jums pieejamo un labāko iespējamo risinājumu. Tātad, risinājumiem kļūstot arvien labākiem un labākiem, tie kļūst arvien mazāk aptuveni. Tātad tas, ko datorzinātnieki šajos gadījumos mēdz saprast ar aptuvenu, ir kaut kas ļoti specifisks attiecībā uz to, cik liela ir tuvināšana, un viņi mēdz domāt kaut ko, kas ir ļoti tuvu precīzam.

JP : Jūs domājat, ka, šajā nozīmē lietojot aptuvenu, jūs lietojat vārdu tā, kā to lietotu uzņēmēji, nevis kā datorzinātnieki?

GR : Tā ir tā pati jēga, ko cilvēki izmanto, risinot šīs problēmas mūsdienās. Jums ir nepieciešams risinājums; jūs dotu priekšroku tādam, kas ir labākais iespējamais risinājums ar jums pieejamajiem resursiem, un tas pēc jebkuras definīcijas ir aptuvens risinājums. Jūs vēlētos, lai tas būtu labāk, taču šīs lietas jums nav pieejamas problēmas rakstura dēļ. Tāpēc šī konkrētā mūsu uzbūvētā iekārta ir paredzēta, lai konkurētu ar iekārtām, kas nodrošina šāda veida risinājumus.

JP : Skots Āronsons teica, ka Orion ir tikpat noderīgs kā cepta liellopa sviestmaize. Jums acīmredzami šķiet, ka tas ir aizvainojoši; bet vai jūs neatzīsities, ka jūsu dators nav īpaši noderīgs, jo tas atrisina problēmas lēnāk nekā klasiskais dators?

GR : Demonstrācijas mērķis nebija parādīt veiktspējas pārākumu pār tradicionālajām sistēmām. Tā mērķis bija veikt sistēmas koncepcijas pārbaudi un palaist komerciāli relatīvas lietojumprogrammas kvantu datorā, kas nekad agrāk pat nav darīts – pat ne tuvu. Tas ir daudz augstāks par mūsdienu līmeni. Tātad, runājot par faktisko laiku, kas nepieciešams problēmu risināšanai, Orion pašreizējā stāvoklī ir aptuveni 100 reižu lēnāks nekā dators, kurā darbojas vislabākie algoritmi. Ja jūs būtu eksperts, jūs varētu definēt labu algoritmu tīmeklī, iztērēt 1000 USD par datoru un jūs varētu pārspēt sistēmu ar koeficientu 100. Tātad šajā ziņā Skotam ir taisnība, lai gan tas nebūt nav galvenais.

JP : Nu, kāda jēga?

GR : Lieta ir tāda, ka demonstrācija parāda skaidru ceļu no pašreizējās vietas uz nākotni. Šīs nākotnes mašīnas būs ievērojami labākas.

JP : Plāns ir 2008. gadā demonstrēt 1024 kubitu mašīnu?

GR : Jā, līdz 2008. gada vidum. Taču pirms tam mums būs tiešsaistes sistēma, ko cilvēki varēs izmantot un kurai viņi varēs ieprogrammēt lietojumprogrammas.

JP : Tas šķiet neticami ātri. Kā tu to darīsi?

GR : Ir trīs lietas, kas jādara.

Pirmais ir tas, ka procesoram, jo ​​īpaši ievades-izejas sistēmām, izmantotajam dizainam ir jābūt mērogojamam ne tikai principā, bet arī praksē. Lielākā daļa priekšlikumu, kas ir izvirzīti kvantu skaitļošanas arhitektūrām, faktiski visi līdz šim, šajā ziņā nav mērogojami. Mūsu gadījumā mēs uzskatām, ka esam atraduši ceļu uz reālu aparatūras mērogojamību. Galvenais, kas ir jāpārvar, ir jautājums par to, kā iegūt informāciju mikroshēmā un no tās. Mēs domājam, ka esam atraduši veidu, kā apiet šo problēmu.

Otra lieta ir tas, kā jūs to veidojat, un tā ir izgatavošanas problēma. Daļa no iemesla, kāpēc mēs izvēlējāmies izvēlēto pieeju, ir tas, ka shēmas, kuras mēs izmantojam kā pamatu šīm lietām, var projektēt, būvēt un pārbaudīt, izmantojot standarta pusvadītāju procedūras. Tāpēc mums nav jāizgudro nekādas jaunas ražošanas tehnoloģijas, izņemot procesa sākšanu.

Trešā lieta, uz kuru, iespējams, ir visgrūtāk atbildēt, ir šāda: ņemot vērā to, ka mēs varam to izveidot un nosūtīt informāciju no tā un no tā, vai tas tiešām turpinās darboties kā kvantu dators? Tas ir jautājums, uz kuru mēs pašlaik vienkārši nevaram atbildēt, jo neviens nav spējis modelēt sistēmas tādā līmenī ar jebkādām prognozēšanas iespējām. Tas ir pārāk sarežģīti. Tas ir jautājums, uz kuru var atbildēt tikai empīriski. Tāpēc mūsu filozofija ir, katru mēnesi izveidojiet jaunu procesoru. Pieņemsim, ka mums ir 12 paaudzes gadā, šķiet, ka kaut kas nedarbojas; mēs varam to labot, veicot iteratīvu pārprojektēšanu.

JP : Kā jūsu komerciālā pieeja atšķiras no akadēmijas?

GR : Akadēmiķa pieeja ne vienmēr ir sliktāka par mūsējo, taču tā ir atšķirīga. Mūsu pieeja ir iemest mikroshēmā tik daudz kubitu, cik vien iespējams, atrisināt reālas problēmas un pēc tam izmantot šo problēmu veiktspēju kā metriku, ar kuru varat novērtēt, kas ir labāks un kas ir sliktāks. Tātad, palielinot iekārtas jaudu, jūs palielinat iekārtas spēju ātrāk atrisināt problēmas un lielākas problēmas. Salīdzinot ar akadēmiskajām pieejām, mūsu pieeja ir ātra un netīra, lai gan es nedomāju, ka tā ir mazāk piesardzīga.

JP : Kādas darbības es varētu darīt ar 1024 kubitu kvantu datoru?

GR : Ir daudz, daudz esošu komerciālu lietojumprogrammu, kurām nepieciešams optimāls risinājums problēmai ar daudziem mainīgajiem lielumiem. Piemēram, mikroshēmu dizainā daudzas problēmas, kas saistītas ar aparatūras dizaina verifikāciju, ir šāda veida. Ir arī daudz lietojumprogrammu finanšu inženierijā, ko investīciju bankas ir ļoti ieinteresētas īstenot kopā ar mums: tādas lietas kā portfeļa optimizācija, riska samazināšana, atvasināto instrumentu atlase un cenu noteikšana. Turklāt katra pasaulē pastāvošā plānošanas problēma ir viena no šīm problēmām. Varat iedomāties kādu, piemēram, aviokompāniju vai federālas valdības organizāciju, kurai bija jāplāno daudz cilvēku, kur ir visdažādākie jautājumi par to, kurš kur strādā un kurš kam un kāpēc var piekļūt. Šīs problēmas rada šos milzīgos konfliktu risināšanas scenārijus, kurus mūsdienās vienkārši nevar pārvaldīt. Tos ir pārāk grūti atrisināt, jo cilvēki vēlas tos atrisināt. Es domāju, ka nākotnē tas izskatīsies tā, ka ikviens, kam ir nozīmīga plānošana, maršrutēšana, plānošana, lietojumprogramma — tas viss. lietojumprogrammas tiks pārnestas uz mūsu iekārtām, kas būs pieejamas tiešsaistē.

paslēpties