Er din supercomputer stumpet? Der kan være en kvanteløsning

Nogle matematiske problemer er så komplicerede, at de kan ødelægge selv verdens mest kraftfulde supercomputere. Men en vild ny grænse inden for computing, der anvender reglerne for kvanteområdet, tilbyder en anden tilgang.

En ny undersøgelse ledet af en fysiker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , beskriver, hvordan en kvanteberegningsteknik kaldet "kvanteudglødning" kan bruges til at løse problemer, der er relevante for grundlæggende spørgsmål i atomfysik om de subatomære byggesten i alt stof. Det kan også hjælpe med at besvare andre irriterende spørgsmål inden for videnskab og industri, også.

Søger en kvanteløsning på virkelig store problemer

"Der findes ingen kvanteudglødningsalgoritme til de problemer, vi forsøger at løse, "sagde Chia Cheng" Jason "Chang, en RIKEN iTHEMS -stipendiat i Berkeley Labs Nuclear Science Division og en forsker ved RIKEN, et videnskabeligt institut i Japan.

"De problemer, vi ser på, er virkelig, virkelig stor, "sagde Chang, der ledede det internationale team bag undersøgelsen. "Ideen her er, at kvanteglødemaskinen kan evaluere et stort antal variabler på samme tid og returnere den rigtige løsning i sidste ende."

Den samme problemløsende algoritme, som Chang udtænkte til den seneste undersøgelse, og det er tilgængeligt for offentligheden via open source-kode, potentielt kunne tilpasses og skaleres til brug inden for systemteknik og operationsforskning, for eksempel, eller i andre industriapplikationer.

Klassisk algebra med en kvantecomputer

"Vi laver små" legetøj "-eksempler bare for at udvikle, hvordan en algoritme fungerer. Enkelheden ved de nuværende kvanteanglodere er, at løsningen er klassisk - svarende til at lave algebra med en kvantecomputer. Du kan kontrollere og forstå, hvad du laver med en kvanteglødemiddel på en ligetil måde, uden den massive omkostning at klassificere løsningen. "

Changs team brugte en kommerciel quantum annealer placeret i Burnaby, Canada, kaldet D-Wave 2000Q, der har superledende elektroniske elementer nedkølet til ekstreme temperaturer for at udføre sine beregninger.

Adgang til D-Wave annealer blev givet via Oak Ridge Leadership Computing Facility på Oak Ridge National Laboratory (ORNL). "Disse metoder hjælper os med at teste løfte fra kvantecomputere om at løse problemer i anvendt matematik, der er vigtige for det amerikanske energiministeriums videnskabelige computermission, "sagde Travis Humble, direktør for ORNL's Quantum Computing Institute.

Kvantedata:En, et nul, eller begge på samme tid

Der er i øjeblikket to af disse maskiner i drift, der er tilgængelige for offentligheden. De arbejder ved at anvende en fælles regel inden for fysik:Systemer i fysik har en tendens til at opsøge deres tilstand med lavest energi. For eksempel, i en række stejle bakker og dybe dale, en person, der krydser dette terræn, vil have en tendens til at ende i den dybeste dal, da det tager meget energi at klatre ud af det og den mindste mængde energi at bosætte sig i denne dal.

Annealeren anvender denne regel til beregninger. I en typisk computer, hukommelse lagres i en række bits, der optages af enten en eller et nul. Men quantum computing introducerer et nyt paradigme i beregninger:quantum bits, eller qubits. Med qubits, oplysninger kan eksistere som enten en, et nul, eller begge på samme tid. Denne egenskab gør kvantecomputere bedre egnet til at løse nogle problemer med et meget stort antal mulige variabler, der skal overvejes for en løsning.

Hver af de qubits, der blev brugt i den seneste undersøgelse, producerer i sidste ende et resultat af enten en eller en nul ved at anvende reglen om lavest energistatus, og forskere testede algoritmen ved hjælp af op til 30 logiske qubits.

Algoritmen, som Chang udviklede til at køre på kvanteannealeren, kan løse polynomligninger, som er ligninger, der kan have både tal og variabler og er indstillet til at tilføje op til nul. En variabel kan repræsentere et hvilket som helst tal i et stort antal numre.

Når der er 'færre, men meget tætte beregninger'

Berkeley Lab og nabolandet UC Berkeley er blevet et arnested for F&U inden for det nye felt inden for kvanteinformationsvidenskab, og annoncerede sidste år dannelsen af ​​et partnerskab kaldet Berkeley Quantum for at fremme dette felt.

Chang sagde, at den kvanteanglødningsmetode, der blev brugt i undersøgelsen, også kendt som adiabatisk kvanteberegning, "fungerer godt til færre, men meget tætte beregninger, "og at teknikken appellerede til ham, fordi kvantemekanikkens regler kender ham som fysiker.

Data output fra annealeren var en række løsninger til ligningerne sorteret i kolonner og rækker. Disse data blev derefter kortlagt til en repræsentation af annealerens qubits, Chang forklarede, og hovedparten af ​​algoritmen blev designet til korrekt at redegøre for styrken af ​​interaktionen mellem annealerens qubits. "Vi gentog processen tusinder af gange" for at hjælpe med at validere resultaterne, han sagde.

"Det ville tage eksponentielt lang tid at løse systemet klassisk ved hjælp af denne fremgangsmåde, men verificeringen af ​​løsningen var meget hurtig "med annealeren, han sagde, fordi det var at løse et klassisk problem med en enkelt løsning. Hvis problemet var kvantemæssigt, løsningen forventes at være anderledes, hver gang du måler den.

Virkelige applikationer til en kvantealgoritme

Da kvantecomputere er udstyret med flere qubits, der giver dem mulighed for at løse mere komplekse problemer hurtigere, de kan også potentielt føre til energibesparelser ved at reducere brugen af ​​langt større supercomputere, der kan tage langt længere tid at løse de samme problemer.

Kvantetilgangen bringer direkte og verificerbare løsninger inden for rækkevidde af problemer, der involverer "ikke -lineære" systemer - hvor resultatet af en ligning ikke matcher proportionalt med inputværdierne. Ikke -lineære ligninger er problematiske, fordi de kan forekomme mere uforudsigelige eller kaotiske end andre "lineære" problemer, der er langt mere ligetil og løselige.

Chang søgte hjælp fra kvante-computereksperter inden for kvantecomputing både i USA og i Japan til at udvikle den succesfulde testede algoritme. Han sagde, at han er håbefuld, at algoritmen i sidste ende vil vise sig nyttig til beregninger, der kan teste, hvordan subatomære kvarker opfører sig og interagerer med andre subatomære partikler i atomkernerne.

Selvom det vil være et spændende næste trin at arbejde med at anvende algoritmen til at løse atomfysiske problemer, "Denne algoritme er meget mere generel end bare for atomvidenskab, "Bemærkede Chang." Det ville være spændende at finde nye måder at bruge disse nye computere på. "