Квантовое преимущество в задачах оптимизации с помощью программируемого спинового стекла на 5000 кубитов
Исследовательская группа канадской компании D-Wave Quantum Inc., занимающейся квантовыми вычислениями, недавно создала новую систему квантовых вычислений, которая превосходит классические вычислительные системы в задачах оптимизации. Эта система, представленная в статье в журнале Nature, основана на программируемом спиновом стекле с 5000 кубитами (квантовыми эквивалентами битов в классических вычислениях).
Процессор D-Wave Advantage с более чем 5000 кубитами и 40 000 программируемых ответвителей использовался для демонстрации когерентного отжига посредством квантового фазового перехода, что дало ускорение по сравнению с моделируемым отжигом.
За последние десятилетия исследователи и компании по всему миру пытались разработать все более совершенные квантовые компьютеры. Ключевой целью их усилий является создание систем, которые будут превосходить классические компьютеры в конкретных задачах, что также известно как реализация «квантового преимущества».
Исследовательская группа канадской компании D-Wave Quantum Inc., занимающейся квантовыми вычислениями, недавно создала новую систему квантовых вычислений, которая превосходит классические вычислительные системы в задачах оптимизации . Эта система, представленная в статье в журнале Nature, основана на программируемом спиновом стекле с 5000 кубитами (квантовыми эквивалентами битов в классических вычислениях).
«Эта работа подтверждает первоначальную гипотезу, стоящую за квантовым отжигом, и завершает цикл некоторых основополагающих экспериментов, проведенных в 1990-х годах », — сказал Phys.org Эндрю Д. Кинг, один из исследователей, проводивших исследование.
«В этих первоначальных экспериментах использовались куски сплава спинового стекла и подвергались воздействию различных магнитных полей, и наблюдения показали, что если мы создадим программируемое квантовое спиновое стекло, оно сможет привести к низкоэнергетическим состояниям задач оптимизации быстрее, чем аналогичные классические алгоритмы. В статье Science, опубликованной в 2014 году, была предпринята попытка проверить это на процессоре D-Wave Two, но никакого ускорения обнаружено не было».
В своей недавней работе Кинг и его коллеги реализовали квантовое ускорение, улучшив возможности подключения и когерентность процессора D-Wave Advantage, системы квантовых вычислений, недавно разработанной в D-Wave. В конечном итоге они перевели этот процессор в режим когерентного отжига без тепловых эффектов, чего не удалось добиться в предыдущих работах.
Чтобы достичь этого, исследователи запрограммировали систему спинового стекла на 5000 кубитов, которой они затем могли управлять. Затем они использовали эту систему для решения различных задач оптимизации.
«Это момент «замкнутого круга» в том смысле, что мы подтвердили и расширили гипотезу исследователей UChicago и NEC; квантовый отжиг показывает преимущество масштабирования по сравнению с моделируемым термическим отжигом», — сказал Кинг. «Наш проект — крупнейшее из когда-либо проводившихся программируемых квантовых симуляций; его классическое воспроизведение выходит далеко за пределы досягаемости известных методов».
Чтобы строго и надежно реализовать когерентный отжиг, команда сначала разработала систему из 2000 кубитов и применила ее к простой одномерной задаче, которую можно точно решить с помощью классических вычислительных методов. С другой стороны, в своем новом исследовании они разработали систему с более чем удвоенным количеством кубитов и применили ее к проблеме, которую нельзя смоделировать с помощью классических вычислительных инструментов.
«По нескольким причинам квантовые компьютеры на основе отжига D-Wave являются единственной квантовой платформой, которая может решить проблему оптимизации такого рода», — сказал Кинг. «Во-первых, это размер: мы рассмотрели поведение масштабирования от очень маленьких спиновых очков (250 кубитов) до очень больших (5000+ кубитов); 250 — это практически верхний предел для других платформ. Вторая причина — программируемость: мы программировали сети кубитов в трехмерной геометрии, индивидуально настраивая взаимодействие каждого кубита с кубитом».
Исследователи проводили свои эксперименты в производственной онлайн-системе, что означает, что они могут работать одновременно с действиями клиентов в облаке. На этой онлайн-платформе и с их системой спинового стекла на 5000 кубит они наконец продемонстрировали преимущество масштабирования в задачах оптимизации.
«У нас есть четкое представление о квантовых эффектах и очень четкие доказательства, как теоретические, так и экспериментальные, что квантовые эффекты дают преимущество в масштабировании вычислений по сравнению с классическими методами», — сказал Кинг. «Мы хотим подчеркнуть разницу между этим первоначальным определением квантового преимущества и тем фактом, что оно иногда используется в качестве замены квантового превосходства, чего мы не продемонстрировали. Квантовые компьютеры модели Gate не продемонстрировали никаких возможностей, приближающихся к этой оптимизации, и я лично не верю, что они когда-либо будут».
В свете своей недавней работы Кинг и его коллеги считают, что квантовый отжиг всегда будет работать лучше, чем вентильная модель, в задачах оптимизации. Вот почему D-Wave в настоящее время сосредоточена на разработке обеих этих платформ.
«Долгое время обсуждалось, играет ли когерентная квантовая динамика какую-либо роль в квантовом отжиге», — сказал Кинг. «Хотя это противоречие было опровергнуто предыдущими работами , это новое исследование, безусловно, является самой яркой демонстрацией».
Работа этой группы исследователей и система из 5000 кубитов, которую они разработали, являются значительным вкладом в область квантовых вычислений, что особенно подчеркивает потенциал решения задач оптимизации с использованием систем квантовых вычислений. Их недавняя статья была посвящена достижению квантового преимущества над классическими системами в задачах оптимизации за счет точного управления квантовой динамикой большой системы. Однако в своих будущих работах Кинг и его коллеги также хотели бы количественно оценить, насколько ограничены классические методы, и показать, что возможности их системы могут выходить за рамки возможностей суперкомпьютеров.
«Кроме того, мы можем очень четко увидеть эффект когерентности в наших процессорах», — добавил Кинг. «Процессор Advantage2, который в настоящее время находится в разработке, обещает значительные улучшения в этой области, поэтому мы очень рады видеть, что мы можем сделать, не только с точки зрения улучшенной оптимизации для клиентских приложений, но и с более экзотическими экспериментами в когерентном отжиге."
