Valódi eredmények a kvantumtechnológia által inspirált számítástechnikával

|

A bejegyzés Dr. Joseph Reger, Fujitsu EMEIA régióbeli technológiai vezérigazgató-helyettesének nyilatkozata alapján készült.

 

A múlt héten részt vettem az európai digitális közösség interaktív üzleti fesztiválján, a hub.berlinen. A rendezvényen alkalmam volt előadást tartani a kvantumszámítástechnikáról - arról a technológiáról, amely óriási lehetőségeket rejt, de egyelőre még túl sok körülötte az üres felhajtás.

Úgy döntöttem, hogy a hírverésen túllépve megosztom, hogyan sikerült olyan műszaki "hidat" építenünk, amelynek segítségével már ma kiaknázhatjuk a kvantumtechnológia által kínált gyorsabb számítások előnyeit.

Kvantumszámítástechnikai 1x1

Mielőtt magáról a "hídról" beszélnék, szeretném egy kicsit bemutatni, hova is vezet. Tehát magát a kvantumszámítástechnikát járnám körül - azt a technológiát, amely a számítástechnika következő generációjának ígéretét hordozza, és 10 vagy akár 100 milliószor gyorsabb lesz a jelenlegi megoldásoknál.

Ezek a számok azonban önmagukban nem sokat mondanak. A valódi kérdés a következő: "Vannak az emberiségnek napjainkban olyan problémái, amelyek megoldásához ekkora számítási teljesítményre van szükség?"

Bőven vannak, mégpedig szinte megszámlálhatatlan mennyiségben, és minden iparágban.

A kvantumszámítástechnikával például új alapokra lehetne helyezni az anyagok tervezését, pontos specifikációk és követelmények szerint lehetne megalkotni a molekulákat és a vegyületeket.

Minél nagyobbak a molekulák, annál összetettebb a megoldandó probléma - és elég hamar túllépi a hagyományos számítógépek teljesítménye által nyújtott kereteket. Ennek a kihívásnak a legyőzése az anyagtervezésen túl a gyógyszerfejlesztést és ezen keresztül a betegségek kezelését is forradalmasítaná.

Egy másik iparág, amely azonnal profitálna a következő generációs számítástechnikából: a gyártóipar. Ez a terület különösen kedves közülünk azoknak, akik Németországban élnek.

A gyártóiparban nem olyan elméleti matematikai kihívások legyőzéséről van szó, mint az utazó ügynök klasszikus problémája vagy a hátizsák-dilemma, hanem sokkal inkább a gyártási folyamatok valós idejű vagy közel valós idejű optimalizálásáról.

Ha sikerül több mozzanatot felgyorsítani vagy egyes lépéseket, folyamatokat továbbfejleszteni, jelentős eredményeket érhetünk el a gyártási idő és költség terén.

Most, hogy felvázoltuk a célt, hadd beszéljek a mögöttes technológiáról. Figyeljenek, mert egy több szemeszteres kvantumfizikai tananyagot fogok belesűríteni néhány bekezdésbe. Nyilván egyszerűsítenem kell, de azért próbálom nem elbagatellizálni a dolgot.

Az első fontos megértendő fogalom a szuperpozíció - ennek köszönheti a kvantumszámítástechnika az óriási teljesítményt. A kvantumrendszereknek arról a bizarr tulajdonságáról van szó, hogy egyidejűleg többféle állapotban is képesek létezni.

Míg a hagyományos (azaz mai) számítástechnikában egyetlen egyszerű egységgel, a bittel dolgozunk, amely 1 vagy 0 értéket vehet fel, a kvantumszámítástechnikában a kvantumbitek szintén 1 vagy 0 értéket vehetnek fel, vagy ezek tetszőleges kombinációját - ám ugyanabban az időben.

Tehát 1 és 0, nem 1 vagy 0. Ez azt jelenti, hogy egy meglehetősen kisméretű, 64 qbites rendszer 264számú állapotban lehet egyidejűleg, ami óriási szám (≈ 1019). Ennek alapján még egy viszonylag lassú kvantumszámítógép is jobban teljesít a 1019 számú lehetőség párhuzamos feldolgozásával, mint egy nála jóval nagyobb teljesítményű hagyományos rendszer.

Ha a számítógépünket kvantumállapotban tudjuk tartani, óriási számítási volument hajthatunk végre egy lépésben.

Egy másik, hasonlóan fontos és nem kevésbé szokatlan fogalom a kvantumalagút (quantum tunneling) jelensége. A fizikai világ fogalmaira lefordítva ez olyasmit jelent, mintha egy fal felé hajított tárgy képes lenne áthatolni a falon a másik oldalra.

Ez a lehetőség szigorúan véve a hagyományos (klasszikus) világban is létezik. De annyira végtelenül kis mértékben, hogy semmi értelme ezért bármit is falhoz csapni. A kvantumvilágban azonban a kvantumtárgyak nagy valószínűséggel át tudnak hatolni az akadályokon.

A harmadik - nem kevésbé különös - fogalom a kvantumösszefonódás (quantum entanglement). Ez azt jelenti, hogy az egymásba fonódott kvantumrészecskék kapcsolatban maradnak oly módon, hogy az egyiken végrehajtott műveletek a másikat is érintik, még akkor is, ha a részecskék egymástól nagy távolságban találhatók. Ebben a kontextusban a távolságnak egyáltalán nincs jelentősége.

Ha sikerül kiaknáznunk ezeket a kvantumjellemzőket és jelenségeket számítási célokra, kezünkben tudhatjuk a Szent Grált. Ezt próbáljuk elérni. Ám annak ellenére, hogy egyes cégek mekkora hírverést csapnak a kvantumszámítástechnika körül, még a közelében sem vagyunk a gyakorlati alkalmazásnak.

Napjaink kvantumszámítógépei csak játékproblémák megoldására képesek. Ezek érdekesek, de egyáltalán nem gyakorlatiasak. És egyelőre csak laboratóriumi körülmények között működnek ilyen rendszerek. Mégpedig azért, mert (legalábbis a fejlettebb gépek) kizárólag abszolút nulla hőmérséklet - azaz mínusz 273,15 Celsius fok - közelében, a világűrnél is hidegebb helyen működőképesek.

El lehet képzelni, mekkora energiára van szükség ennek a hőmérsékletnek a fenntartásához.

Ráadásul a korai kvantumrendszereknél elektromágneses árnyékolásra is szükség van, mert már a legkisebb zavar is a rendszer széteséséhez vezet. Ez nem jelent mást, mint hogy a gép kilép a kvantumállapotból, elveszti szuperpozíciós képességeit és az összes vele járó előnyt.

Az általános rendeltetésű kvantumszámítógépek megépítése, üzemeltetése és programozása is nehéz feladat. De van egy módszer, amellyel a kvantumképességek hasznosíthatók egy sokkal egyszerűbb és talán szerényebb képességű rendszerben, a Quantum Annealerben. Sajnos azonban ennek működtetéséhez is hasonló laboratóriumi körülményekre van szükség.

Ezek a rendszerek úgy oldanak meg komplex kombinatorikus optimalizálási problémákat, hogy nagyon sokféle lehetőséget megvizsgálva megkeresik a lehető legjobb értéket, vagyis az optimális megoldást.

A Fujitsu kvantumtechnológia által ihletett Digital Annealer megoldása

Amint láthattuk, a kvantumképességek egyelőre még nem érhetők el teljes körűen. Ám a Fujitsu e megközelítés alapján megalkotta a szakadékot áthidaló, új technológiát.

Ihletet merítettünk a szuperpozícióból, digitálisan szimuláltuk az alagút effektust és az összefonódást - így született meg a Digital Annealer.

Most azt gondolhatják, hogy van egy megoldásunk, amely gyengébb még a Quantum Annealernél is - nem beszélve az univerzális kvantumszámítógépekkel elérhető teljes értékű kvantumszámítástechnikai élményről. Akkor mi értelme van ennek?

Nos, óriási előnyökkel jár, tekintve, hogy a gépkocsigyártástól és a pénzügytől kezdve az egészségügyön és a kiskereskedelmen át az állami szektorig, minden iparág számtalan kombinatorikus optimalizációs problémával küzd.

Térjünk csak vissza például a molekuláris tervezéshez. Ha csak 50 atomból indulunk ki, ≈ 1048 a kombinációk száma. Ha optimalizálni szeretnénk egy nagyértékű likvid eszközökből álló portfóliót egy változékony pénzügyi piacon, 500 részvény optimális kombinációját, azaz 10150 számú kombinációt kell megvizsgálnunk. A miheztartás végett, az univerzumban lévő atomok száma 1077.

Vagy vegyük kedvenc területemet, a gyártóipart. Kiszámíthatjuk például egy gépkocsikarosszérián a robotkar által végzett hegesztési műveletek leghatékonyabb sorrendjét, azt is figyelembe véve, hogy a hegesztési varrat balról jobbra, vagy jobbról balra készül, hogy ezáltal minél kevesebb legyen a robotkar mozgásában az üresjárat.

Ez valójában az utazó ügynök útvonal-optimalizálási problémájának gyártóipari változata. A napok, hónapok vagy évek alatt elérhető apró megtakarítások összességében véve óriási versenyelőnyt biztosíthatnak a költségek szintjén.

A fenti példában, egy 64 hegesztési varratból álló művelet optimalizálásával a gépkocsigyártó több járművet állíthat elő ugyanannyi idő alatt, változatlan erőforrás-felhasználás (azaz a költségmegtakarítás) mellett.

 

Ha ilyen szempontból vizsgáljuk meg a Digital Annealer alkalmazásának lehetőségeit, látható, hogy kiválóan alkalmas a kombinatorikus optimalizálási problémák megoldására.

104 nagyságrendű gyorsulásról már érdemes beszélni, akár valódi kvantummegoldásról van szó, akár nem. A lényeg, hogy ez a rendszer le tudja fordítani a problémát QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) azaz másodfokú, kényszer nélküli, bináris optimalizálási probléma formátumra. És így az feldolgozhatóvá válik a Digital Annealerrel.

Összefoglalva: a technológiánk nem kvantum, mert nincs kvantumállapotban. És csupán egyetlen dolgot csinál - kombinatorikus optimalizálási problémákat old meg. Ám azt elég jól csinálja.

Nem tudjuk elérni a kvantumszámítástechnika által ígért 100 ezerszeres gyorsulást, de a kombinatorikus problémákat akár 10 ezerszer is gyorsabban, és jóval nagyobb pontossággal megoldhatjuk, mint bármely más, a piacon ma elérhető rendszerrel. És ez a teljesítmény a laboratóriumi körülmények között működő kvantumszámítógép-prototípusok képességeit is túlszárnyalja.

Ez azt jelenti, hogy Fujitsu kvantumtechnológia által ihletett áthidaló technológiája jelenleg nagyobb teljesítményt nyújt, mint az a technológia, amely felé hidat épít.

Tréfásan akár azt is mondhatnánk, hogy a kvantumalagút jelenségéből ihletet merítve áthatoltunk a kvantumszámítástechnika körüli felhajtás jelentette akadályon, és olyan rendszert alkottunk, amely már ma is produktívan használható a különféle iparágakban.

A kérdés tehát a következő: várjunk-e a kvantumszámítógépek elkészültére?

Vagy érdemes már ma kiaknázni azokat a számszerűsíthető előnyöket, amelyek a kvantumtechnológia által inspirált megoldással imitált kvantumalgoritmusok, azaz a Digital Annealer segítségével elérhetők…

Úgy tűnik, AdBlockert használsz, amivel megakadályozod a reklámok megjelenítését. Amennyiben szeretnéd támogatni a munkánkat, kérjük add hozzá az oldalt a kivételek listájához, vagy támogass minket közvetlenül! További információért kattints!

Engedélyezi, hogy a https://computerworld.hu értesítéseket küldjön Önnek a kiemelt hírekről? Az értesítések bármikor kikapcsolhatók a böngésző beállításaiban.