D-Wave предлагает ускорить суперкомпьютеры квантовыми вычислителями

Разработчик квантовых вычислительных систем компания D-Wave рассчитывает, что ее передовая технология — какие бы сомнения она ни вызывала в отрасли — найдет применение на рынке высокопроизводительных вычислений (High Performance Computing, HPC).

Колин Уильямс, директор по развитию бизнеса D-Wave, обратился к владельцам крупных вычислительных систем на недавней международной суперкомпьютерной конференции SC13.

«Одна из причин, по которым мы находимся здесь, состоит в том, что мы активно ищем партнеров в отрасли HPC, — пояснил Уильямс. — Квантовые вычисления в нашем представлении не составляют конкуренции высокопроизводительным вычислениям. Напротив, две технологии способны существенно дополнить друг друга».

«Администраторам больших систем стоит думать о квантовых вычислениях как о новом инструменте в своем арсенале», — добавил он.

Если традиционные высокопроизводительные вычислительные системы предназначены для такой сферы, как вычислительная динамика жидкости или решение крупномасштабных аналитических задач, то квантовые вычисления лучше работают в других областях, например в дискретных комбинаторных операциях, при обработке выборок методом Монте-Карло и в машинном обучении.

 Каждой новой технологии нужен полигон для тестирования ее возможностей, место для демонстрации ее преимуществ при каждодневном использовании. По мнению специалистов D-Wave, квантовый процессор — своего рода гигантский процессор для крупных высокопроизводительных систем, выделяемый для решения определенных задач, на обработку которых традиционными вычислительными средствами может уйти много времени. Уильямс назвал такой подход «квантовое ускорение высокопроизводительных вычислений».

Несмотря на то что теоретическая база квантовых вычислений разрабатывается уже несколько десятилетий, эта технология еще очень далека от коммерческого использования. D-Wave, возможно, единственная компания, предлагающая завершенные решения, которые опираются на базовые принципы квантовой механики, изучающей законы поведения материи на микроскопическом уровне.

D-Wave пока не предлагает квантовые компьютеры общего назначения, вместо этого она располагает системой, которую Уильямс назвал квантовой нормализацией. Эта система рассчитана на обработку одного набора задач, сложных для решения на классических компьютерах, известных как NP-сложные задачи (класс комбинаторных задач с нелинейной полиномиальной оценкой числа итераций). Иначе эти задачи называются проблемами оптимизации, поскольку суть их заключается в поиске наилучшего решения из значительного числа переменных и, следовательно, возможных решений.

Компания D-Wave основана в 1999 году, в 2011 году она выпустила свое первое вычислительное устройство мощностью 128 кубитов. За ним последовало устройство D-Wave 2, предлагаемое компанией сейчас, его мощность составляет 512 кубитов. D-Wave 2 приобрели компания Google, которая тестирует возможность примененения этой системы для распознавания образов, и НАСА. Уильямс не раскрыл стоимости D-Wave 2, отметив только, что предпочтительной схемой передачи устройства является лизинг, а не покупка.

Кубит, или квантовый бит, — эквивалент бита в квантовых вычислениях. В отличие от традиционного бита, который может иметь значение 1 или 0, кубит может принимать значения 1 и 0 одновременно. Это состояние называется суперпозицией. Таким образом, система мощностью 512 кубитов может обрабатывать до 2^512 вычислительных потоков.

В отличие от классической компьютерной обработки, эти потоки нельзя считывать индивидуально — они должны анализироваться совместно, единым блоком. Из-за этого, по выражению Уильямса, квантовые вычисления подходят для «весьма разнообразных задач».

Компания реализовала несколько пилотных проектов для демонстрации того, как квантовая нормализация может помочь в суперкомпьютерных вычислениях. Все они относятся к области оптимизации.

В частности, в работе совместно с проектным бюро система D-Wave была использована для проектирования системы водоснабжения небольшого города, устроенной из множества водопроводных труб.

Задача состояла в нахождении оптимального баланса цены (чем больше трубы, тем дороже их прокладка) и обеспечения подачи воды под нужным давлением каждому конечному пользователю. Уильямс сообщил, что D-Wave удалось найти оптимальный план, превосходящий решение самой проектной организации.

Еще один пилотный проект был связан с оптимизацией рентгенотерапии в одной из больниц. Необходимо было найти наиболее удачную конфигурацию рентгеновских лучей, при которой можно было бы уничтожить максимальное число канцерогенных клеток, повредив минимум здоровых.

Устройства D-Wave 2, бесспорно, слишком велики для сопроцессора. Они компонуются в корпус размером с небольшой дом, с которым соединена стойка классических компьютеров для передачи данных.

Корпус имеет экран для защиты от радиоизлучения, водяную систему охлаждения, внутри которой размещается квантовый процессор и криостат, обеспечивающий сохранение температуры процессора на уровне около 20 милликельвинов выше абсолютного нуля. Это примерно в 1500 раз холоднее, чем в межзвездном пространстве.

«Это самое тихое и холодное место, возможно, во всей Вселенной», — заявил Уильямс.

Сам процессор «собран» из контуров ниобия, мягкого металла, соединенных в массив при помощи джозефсоновских связей. Каждая петля хранит кубит информации, и состояние каждого кубита считывается с помощью магнитного поля.

Для решения конкретной вычислительной задачи пользователь представляет ее в виде NP-сложной задачи, которая затем естественным образом решается машиной. Это предполагает представление задачи в виде функции, принимающей множество значений, включая минимальное.

Когда задача решена, система применяет к кубитам магнитное поле, приводя их в состояние суперпозиции, формируя таким образом все возможные решения задачи. Затем магнитное поле снимается и кубиты возвращаются в состояние энергетического минимума, действуя фактически как фильтр сверхоптимальных значений.

«Каждое решение соответствует своему уровню энергии. Вы пытаетесь найти решение, или поток битов, обладающих минимальной энергией в данной структуре», — пояснил Уильямс. Это отличается от классического подхода, реализованного в привычных компьютерах, которые в известном смысле «смотрят только на поверхность проблемы», в то время как квантовый компьютер «углубляется внутрь» и находит наилучшее решение. Процесс повторяется 10 тыс. раз, после чего наборы результатов передаются в классический компьютер в виде потока битов.

Квантовое устройство D-Wave может работать с традиционным компьютером в интерактивном режиме, предложил Уильямс. Суперкомпьютер может создавать наборы моделей, используя выход квантовой системы, выбирая, какое решение наиболее эффективно. Затем эту информацию можно передавать на квантовый компьютер, который будет корректировать свою формулу и выполнять следующий цикл тестов.

Уильямс признал, что технология D-Wave вызывает большой скептицизм, но большинство других попыток создать квантовые компьютеры привели лишь к машинам, работающим с несколькими кубитами.

«Мы применили иную проектную идеологию, нежели те, кто работает с квантовыми технологиями в академических институтах», — отметил Уильямс.

По описанию Уильямса, в D-Wave применен нисходящий подход, при котором компания может создавать квантовый процессор определенного размера, например на 512 кубитов, и быстро пересматривать проект для удаления недостатков. Это иной путь, нежели создание идеального процессора на один кубит и дальнейшее его совершенствование.

«Академическое сообщество сосредоточено на производстве идеального квантового компьютера. Мы сознательно отказались от этого пути», — заявил он.

По словам Уильямса, в D-Wave преодолели закон Мура. В следующем году компания планирует представить 1024-кубитовый процессор, а в 2015-м он будет иметь уже 2048 кубитов. Чем больше кубитов, тем сложнее проблемы, которые можно решать с его помощью, подчеркнул Уильямс.