Журнал об IT-бизнесе, технологиях и цифровой трансформации

5000-кубитное «квантовое превосходство» поступит в продажу в 2020 году Mail.ru Cloud Solutions
Mail.ru Cloud Solutions
  • 19 ноября
  • Новости
  • Технологии

5000-кубитное «квантовое превосходство» поступит в продажу в 2020 году

Автор: Владимир Бахур
Популярное
Разработка
Какой аутсорс нужен продуктовой разработке на разных фазах зрелости продукта
Разработка
Путь к Kubernetes и его преимущества для разработки
Бизнес
Анализ больших данных в облаке: как бизнесу стать дата-ориентированным

Несмотря на многотысячные кубиты, системы D-Wave в силу фундаментальных ограничений технологии квантового отжига уступают «полноценным» квантовым компьютерам с десятками кубитов от других производителей. Впрочем, сфера применения найдется для всех.

Как корабль назовете

Компания D-Wave Systems впервые представила подробности об архитектуре новой квантовой системы на базе топологии Pegasus с вычислительной мощностью до 5000 кубитов. Озвучено имя новой системы — Advantage («преимущество», «превосходство» на англ. языке). Согласно официальному заявлению D-Wave, старт продаж запланирован на середину 2020 года.

Заказчик и покупатель первой коммерческой системы Advantage — давний клиент D-Wave, Лос-Аламосская национальная Лаборатория США (Los Alamos National Laboratory). Организация занимается стратегическими исследованиями для решения приоритетных задач национальной безопасности.

Сотрудники лаборатории уже создали более 60 экспериментальных квантовых приложений. В рамках контракта предполагается, что D-Wave обновит (в третий раз) ранее поставленную лаборатории квантовую систему новой установкой, как только она станет доступной.

Численное превосходство

Новая квантовая вычислительная система имеет «наиболее связанную квантовую топологию в мире, которая увеличивает сложность решаемых задач и улучшает скорость, точность и общую производительность вычислений». Как заявили в компании в рамках анонса новинки, «это будет первый квантовый компьютер, специально созданный для бизнес-приложений».

Компьютер выполнен с применением новой топологии Pegasus, особенностью которой является связанность кубитов с 15 другими «соседними» кубитами. Для сравнения: в предыдущих системах D-Wave, включая нынешний 2000-кубитный флагман на процессоре 2000Q, применялась топология Chimera, где кубиты связаны лишь с шестью другими кубитами.

Топология Pegasus для квантовых систем D-Wave Advantage
Топология Pegasus для квантовых систем D-Wave Advantage
Источник: D-Wave Systems

Улучшенная топология позволяет решать более масштабные задачи с меньшим числом физических кубитов. Для программирования под новую топологию компания представила новый комплект разработчика D-Wave Ocean SDK.

Визуализация новой квантовой топологии D-Wave Pegasus
Визуализация новой квантовой топологии D-Wave Pegasus
Источник: D-Wave Systems

Особенность 5000-кубитной квантовой системы D-Wave Advantage — низкий уровень шума, который впервые был продемонстрирован летом 2019 года в рамках анонса малошумящего 2000-кубитного процессора D-Wave 2000Q.

2000-кубитный компьютер D-Wave 2000Q
2000-кубитный компьютер D-Wave 2000Q
Источник: D-Wave Systems

Системы Advantage построены на коммерческих квантовых процессорах (Quantum Processing Units, QPU) с самым низким уровнем шума, когда-либо выпускаемых компанией. Технология QPU обеспечивает улучшенную кубитную когерентность и прокладывает путь к еще большему ускорению для существующих и новых приложений квантовых вычислений.

Малошумящий процессор 2000Q показывает 25-кратное ускорение в ряде приложений
Малошумящий чип 2000Q: 25-кратное ускорение в ряде приложений
Источник: D-Wave Systems

Представители D-Wave также заявили, что мощность систем может составить «более 5000 кубитов». Объединение большего числа кубитов с новой топологией, по мнению разработчиков, обеспечит программистам квантовых приложений «доступ к более мощному и производительному ресурсу для построения коммерческих квантовых приложений».

Гибридный подход

По аналогии с большинством сообществ разработчиков приложений для квантовых компьютеров, компания делает ставку на взаимодействие программистов в рамках своего квантового облачного сервиса Leap, а также опенсорсной платформы Hybrid.

Оптимизация в рамках гибридного подхода подразумевает создание новых алгоритмов, перекладывающих на квантовый процессор решение лишь той части задач, в которых его использование эффективно, при этом другие части оптимизированы для решения классическими компьютерами. По сути, все современные квантовые компьютеры являются гибридными (смешанными) системами, в которых классическим системам отводится существенная роль.

Гибридная платформа D-Wave Hybrid с открытым исходным кодом уже выложена на GitHub. Платформа призвана решать шесть ключевых задач.

Первая — управление рабочим процессом гибридных вычислений, то есть быстрая разработка гибридных приложений, которые смогут работать с классическими компьютерами, системами D-Wave 2000Q и D-Wave Advantage.

Вторая — применение модульного подхода. Речь идет о создании логических цепей для упрощенного распределения классических и квантовых задач. Они позволят разработчикам синхронизировать работу квантовых и классических компьютеров для максимальной отдачи каждой системы.

Третья задача — декомпозиция проблем. Алгоритмы разбиения больших проблем, которые превышают возможности квантового процессора (QPU), сегментируют их на приемлемые для вычислений фрагменты.
Четвертая — удобная знакомая среда программирования на основе языка Python плюс документация с примерами, что позволит сделать работу без особого погружения в квантовую механику.

Пятая — гибкость решений. Платформа предоставляет ряд законченных примеров гибридных рабочих процессов. Такой подход позволяет разработчикам уточнить, какие именно рабочие процессы лучше подходят для решаемой ими задачи.

Наконец, шестая задача — бесплатный доступ для программистов к облачной квантовой системе D-Wave Leap и прикладной квантовой среде (Quantum Application Environment, QAE). Для работы облачного сервиса Leap уже задействованы квантовые системы 2000Q. Ресурсы включают инструменты обучения, форумы технических специалистов для облегчения совместной работы.

53 против 5000. Чьи кубиты толще?

С точки зрения маркетинга и пиара, анонс 5000-кубитной системы, да еще с таким одиозным названием, выглядит как серьезное событие в отрасли квантовых вычислений. Особенно на фоне последних новостей из IBM об открытии квантового вычислительного центра IBM Quantum Computing Center в Нью-Йорке на базе пяти 20-кубитных и одной 53-кубитной системы.

«Пять тысяч кубитов» звучат гораздо ярче, чем сообщение о недавнем эпохальном событии о достижении «квантового превосходства» компанией Google с использованием 53-кубитной системы на сверхпроводящих элементах. Заметка была опубликована изданием Financial Times на основании внутреннего документа компании.

Под термином «квантовое превосходство» (Quantum supremacy) подразумевают способность квантовых систем производить расчеты задач, с которыми классические компьютеры не могут справиться в принципе или в разумный промежуток времени.

Несмотря на многочисленные тысячи кубитов, системы D-Wave значительно проигрывают «полноценным» квантовым компьютерам с десятками кубитов от других производителей. Проблема в том, что ограничение возможностей квантовых систем D-Wave, работающих на принципе квантового отжига, заложено в самой технологии создания кубитов.

Квантовый отжиг (нормализация) — это класс математических задач. В них используется метаэвристический метод для нахождения глобального минимума заданной функции из заданного списка возможных решений с помощью процесса, использующего квантовые флуктуации. Квантовый отжиг сравним с моделируемым отжигом, где температура определяет вероятность перехода из текущего состояния в состояние с более высокой «энергией».

Ввиду фундаментальных ограничений, квантовые системы D-Wave позволяют решать лишь ограниченный подкласс задач дискретной оптимизации и полностью непригодны для вычислений с применением традиционных квантовых алгоритмов. Тем не менее эти квантовые системы способны производить чрезвычайно эффективные вычисления для многих задач. Например, при анализе генома, вариативности сворачивания белков.

То есть во всех тех задачах, где уместно применение дискретного программирования (оптимизации). Эти решения частично пригодны для решения задач машинного обучения и создания алгоритмов искусственного интеллекта с навыками самообучения. Именно этим занимаются Google и NASA в Лаборатории квантового искусственного интеллекта при исследовательском центре Эймса с помощью системы D-Wave.

В рамках анонса системы Advantage представители D-Wave также заявили, что для квантовых компьютеров компании в настоящее время уже разработано более 150 приложений в таких областях как финансовое моделирование, диспетчеризация авиакомпаний, моделирование выборных процессов, моделирование в квантовой химии, проектирование автомобилей, профилактическое здравоохранение, логистика и др.

Разработчики «полноценных» квантовых процессоров, например IBM, Intel, IonQ, Российский квантовый центр, также делают ставку на гибридные системы с применением классических компьютеров для оптимизации вычислений. Такие коммерческие квантовые компьютеры общего назначения, по прогнозам Deloitte, появятся в 2030-х годах и станут универсальными инструментами для решения большинства задач. Системы D-Wave ввиду своего «врожденного» ограничения на подобную универсальность претендовать не смогут.

О квантовом превосходстве

В октябре 2019 года разработчики Google опубликовали в научном издании Nature статью «Квантовое превосходство с применением программируемого сверхпроводящего процессора» (Quantum supremacy using a programmable superconducting processor). Авторы объявили о достижении впервые в истории квантового превосходства с помощью 54-кубитного процессора «Sycamore», чьи 53 кубита могут работать одновременно. Такая комбинация кубитов обеспечивает работу с более чем девятью квадриллионами переменных (253, или 9 007 199 254 740 992).

54-кубитный процессор Sycamore
54-кубитный процессор Sycamore
Источник: Nature

Для демонстрации квантового превосходства исследователи подобрали задачу, с которой процессор Sycamore справился за 200 секунд. Согласно утверждению авторов статьи, решение такой же задачи на классическом cуперкомпьютере заняло бы «примерно 10 тысяч лет». Для оценки вычислительных способностей традиционной системы авторы использовали мощности суперкомпьютера Summit и крупного вычислительного кластера Google.

Пыл исследователей из Google поспешили охладить разработчики из IBM. В заметке на страницах блога IBM отмечается, что авторы статьи о квантовом превосходстве недооценили возможности современных суперкомпьютеров, которые могут быть значительно эффективнее при использовании других алгоритмов, нежели приведенный в статье пример.

По оценке экспертов из IBM, подходящий суперкомпьютер с правильным набором алгоритмов, оптимально использующий процессоры, оперативную память и накопители, затратил бы на выполнение подобной задачи «всего» два с половиной дня, но никак не 10 тыс. лет. Таким образом, квантовое превосходство сегодня — понятие условное, разработчикам есть куда стремиться. Конечно, квантовый процессор выполнил специализированную «под него» задачу в тысячи раз быстрее классического. Но вне бенчмаркинга для «доказательства» превосходства квантовых компьютеров таких задач пока не встречается.

Ссылка скопирована!

Что еще почитать про ИТ-бизнес