Spørgsmål og svar: D-Waves Geordie Rose

Den 13. februar hævdede D-Wave Systems, en startup baseret i Burnaby, British Columbia, at have demonstreret verdens første kommercielle kvantecomputer.

Kvante kulde: Orions 16-qubit-processor er vist på det øverste billede. Det bruger et superledende metal kaldet niobium. Når de afkøles til 5 millikelvin eller 0,005 grader over det absolutte nulpunkt, danner elektronerne i niobium-superlederen partikler kaldet Cooper-par, som kan indtage den samme kvantetilstand. Et Leiden Cryogenics-fortyndingskøleskab (nederste billede) bruges til at afkøle Orion-chippen til det punkt, at elektronerne i dens niobium-halvleder går ind i en kvantetilstand.

På Computer History Museum i Mountain View, Californien, viste Geordie Rose, virksomhedens grundlægger og teknologichef, hvordan Orion-computeren kunne søge efter et protein i en database og finde det tætteste match, opdage det optimale siddearrangement for gæsterne kl. en bryllupsreception, og løs et Sudoku-puslespil.

Kvanteberegning, som først blev foreslået af fysikerne Paul Benioff og Richard Feynman i begyndelsen af ​​1980'erne, fungerer ved at udnytte kvantemekanikkens mærkelige tvetydigheder. Ifølge kvantemekanikkens love kan tilstanden af ​​en partikel, såsom en elektron, være uafklaret: den kan være tændt eller slukket, snurre op eller ned.

I en kvantecomputer kan hver kvantebit information – eller qubit – derfor være ufikseret, blot en sandsynlighed; dette betyder igen, at en qubit på en eller anden mystisk måde kan have værdien en eller nul samtidigt, et fænomen kaldet superposition. To qubits kan således repræsentere fire forskellige værdier (00, 01, 10 og 11 i binær notation); fire qubits kan repræsentere seksten værdier; og så videre. I teorien kunne en kvantecomputer løse problemer på mindre end et minut, som det ville tage en klassisk computer årtusinder at løse.

Til dato har de fleste kvantecomputere været mere eller mindre vellykkede videnskabelige eksperimenter. Ingen har udnyttet mere end 12 qubits, og de problemer, maskinerne har løst, har været trivielle. Kvantecomputere har været komplicerede, kræsne maskiner, der anvender sarte lasere, vakuumpumper og andre eksotiske maskiner til at hyrde deres qubits.

D-Wave (som har rejst 44 millioner dollars fra investorer som venturekapitalfirmaet Draper Fisher Jurvetson) hævder, at det er lykkedes at konstruere en praktisk kvantecomputer ved at anvende et simpelt design, afledt af teknologier, der allerede er brugt til at lave standardcomputerchips. Virksomheden beskriver Orion som en 16-qubit adiabatisk kvantecomputer, bygget op omkring en chip lavet af et metal kaldet niobium, som, når det er tilstrækkeligt koldt, bliver en superleder. Afkølet i et bad af flydende helium til næsten -273 ºC danner elektronerne i niobium-superlederen partikler kaldet Cooper-par, som kan indtage den samme kvantetilstand og dermed tillade Orion at beregne kvantealgoritmer.

Herb Martin, D-Waves administrerende direktør, siger, at dette ukomplicerede design vil gøre det muligt for Orion at skalere til en 512-qubit-maskine senere i år og til en 1.024-qubit-computer i midten af ​​2008.

Men dataloger, der specialiserer sig i kvanteberegning, har været dybt skeptiske over for D-Waves demonstration. D-Wave fremlagde ingen beviser til støtte for sine påstande: den har kun frigivet de mest skitserede detaljer om Orions indre funktioner. Hvad dataloger ved, imponerer dem ikke.

Scott Aaronson, en teoretisk datalog ved Institute for Quantum Computing i Waterloo, Ontario, og forfatteren til en meget læst blog kaldet Shtetl-optimeret , begyndte obloquies, da han fordømte Orion for at være lige så nyttig til at løse problemer som en roastbeef sandwich.

Om Geordie Roses påstande om at have bygget den første praktiske kvantecomputer, skrev Aaronson i en e-mail: Uanset hvad D-Wave ellers kunne have gjort, kan dette øjeblikkeligt afvises som hype. Hvis han med 'praktisk' mener at være i stand til at løse praktiske problemer hurtigere end eksisterende klassiske computere, så er dette klart falsk. Hvis han mener at være i stand til at løse små demonstrationsproblemer, er han blevet slået af masser af mennesker. Så jeg kan ikke komme i tanke om nogen fortolkning, hvorunder han taler sandt.

Aaronsons sure tone var typisk. Umesh Vazirani, professor i datalogi ved University of California, Berkeley, sagde, at D-Wave vildleder offentligheden ved at kalde deres enhed 'en praktisk kvantecomputer.' Hele pointen med kvanteberegning er at opnå en stor fremskyndelse i forhold til klassiske computere , noget som D-Wave ikke har opnået.

Noget løste problemerne ved demonstrationen, men det er måske ikke nødvendigvis en kvantecomputer. Især ved dataloger ikke, hvor godt Orion korrigerer for crescendoet af fejl, forårsaget af termisk støj og dekohærensen af ​​qubits, som er ledsaget af enhver kvanteberegning. Disse fejl skal håndteres omhyggeligt, hvis en kvantecomputer skal fungere. Faktisk, ifølge alle datalogerne til hvem Teknologigennemgang talte, fordi Orion kan fungere som en ret langsom analog computer, er det muligt, at Orion overhovedet ikke udførte kvanteoperationer, da den blev demonstreret på Computer History Museum.

Har D-Wave virkelig implementeret en 16-qubit kvantecomputer, eller dekoherer deres qubits så hurtigt, at de faktisk implementerer en klassisk algoritme? spurgte Vazirani. D-Wave har ikke fremlagt noget bevis for at favorisere den første mulighed frem for den anden.

De mest generøse kvantecomputerforskere vil indrømme, at D-Wave har lavet et interessant spil.

Jeg ved ikke meget om forretning, men jeg forestiller mig, at ræsonnementet hos D-Wave er noget i stil med følgende, sagde Seth Lloyd, professor i maskinteknik ved MIT, som foreslog det første teknologisk gennemførlige design til en kvantecomputer. Lad os sige, at oddsene er 10-til-1 i forhold til, at adiabatisk kvantecomputere fungerer, så projektet vil sandsynligvis mislykkes. Men hvis det lykkes, så rydder de op. Det, D-Wave laver, er usandsynligt, at det lykkes, men det er ikke quixotisk.

Vi bad Geordie Rose om at forsvare Orion over for sine kritikere.

Jason Pontin : Demonstrerede du i virkeligheden verdens første praktiske kvantecomputer?

Geordie Rose : Ja.

JP : Jamen, det er ligefrem. Er en virkelig fejltolerant, adiabatisk computer en kvantecomputer?

GR : Ja.

JP : Det rejser dette spørgsmål, er jeg bange for: er Orion fejltolerant?

GR : Ja det er.

JP : Virkelig?

GR : Hvis du gerne vil have mig til at uddybe, kan jeg det.

JP : Det ville være rart.

GR : Der er to forskellige begreber her. Fejltolerance handler først og fremmest om, hvorvidt processoren vil fortsætte med at fungere, som den er designet i tilfælde af fejl. I det system, som vi brugte under demoen, havde chippen 2 ødelagte komponenter ud af 56, og tingen fungerede smukt i nærvær af disse fejl. Så Orion er absolut fejltolerant. Der er ingen spørgsmål. Det har vi vist. Men jeg tror, ​​du virkelig spørger om dekohærens.

JP : Jeg er.

GR : Tilstedeværelsen af ​​støj i en kvantecomputer kan forårsage fejl. Hvis du vil køre en kvantecomputer sammenhængende, for at kunne gøre alt, hvad en kvantecomputer overhovedet kan, skal du aktivt fjerne fejl. I vores tilgang, den adiabatiske model, er enhedens fysik meget anderledes end konventionelle kvantecomputere som gate-modeller. For at der overhovedet kan ske en fejl i vores tilgang, skal du tilføre en vis mængde energi, som fysikere kalder et energigab. Hvis støjen ikke har mindst den mængde energi, kan den ikke gøre noget dårligt. Så hvis du ikke leverer den mængde energi, er der et naturligt hul, der beskytter systemet mod støj. Adiabatiske kvantecomputere er kendt for at være meget mere robuste over for støj end andre metoder.

JP : Påstår du virkelig, at Orion kan løse NP-komplette problemer? [NP-komplette problemer, hvoraf det mest kendte er problemet med den rejsende sælger, er de sværeste problemer i kompleksitetsteorien, for hvilke en løsning kan verificeres effektivt. Meget almindelige i det virkelige liv, de er svære at løse, fordi deres løsning ser ud til at kræve, at man overvejer enhver permutation af et sæt variabler, hvilket tager tid, der stiger eksponentielt med antallet af variable. Dataloger tvivler på, at NP-komplette problemer kan løses inden for rimelig tid. Rose har tiltrukket kontroverser ved at hævde, at Orion kunne skabe tilnærmede løsninger, der er gode nok til erhvervslivet.]

GR : Det løser dem i den forstand, at det giver omtrentlige løsninger på ting, der er gode nok i den forstand, at de opfylder brugerens krav. Disse kategorier af problemer er allestedsnærværende i erhvervslivet. Det er mistanke om, at ingen maskine, uanset arten, effektivt og præcist kan løse disse typer problemer, i det mindste i værste fald. Men det er en alt for restriktiv definition af, hvad løsning betyder. Generelt, hvis en virksomhed har et af disse problemer indlejret i sin daglige drift, bruger den det, der kaldes en heuristik til at løse det, som er et sæt tommelfingerregler, der hurtigt giver gode omtrentlige løsninger. Vores maskine har som sit tilsigtede formål konkurrence med disse heuristika. Vi påstår ikke, at vi nøjagtigt effektivt kan løse worst-case problemer, nej-men vi er hævder, at denne ting vil være konkurrencedygtig og i sidste ende overgå alle konventionelle tilgange til at løse disse sæt af problemer.

JP : Jeg er ikke matematiker, men jeg spiller en på tv. Hvad med PCP-sætningen, der siger, at en omtrentlig løsning i disse tilfælde er lige så svær som den bedste løsning?

GR : Det afhænger af, hvad du mener med omtrentlig.

JP : Jamen, fortæl mig hvad du mener med omtrentlig. Bruger Geordie Rose omtrentlig i en speciel forstand, som ingen andre bruger?

GR : Tilnærmelsesvis betyder noget bestemt i datalogi. Det er ikke den måde, udtrykket bruges konventionelt i erhvervslivet. Så sig, at du endnu ikke har valgt en rute gennem en masse byer –

JP : Problemet med den rejsende sælger?

GR : Ja, for eksempel. Enhver rute er en løsning. Enhver rute er også en omtrentlig opløsning. Hvor god den omtrentlige løsning er, er på en eller anden måde forskellen mellem den, du har, og den bedst mulige. Så efterhånden som løsningerne bliver bedre og bedre, bliver de mindre og mindre omtrentlige. Så hvad dataloger plejer at mene med omtrentlig i disse tilfælde er noget meget specifikt om, hvor stor tilnærmelsen er, og de har en tendens til at mene noget, der er meget tæt på nøjagtigt.

JP : Du mener, at når du bruger omtrentlig i denne betydning, bruger du ordet som forretningsfolk ville bruge det, og ikke som dataloger bruger det?

GR : Det er den samme sans, som folk bruger, når de løser disse problemer i dag. Du har brug for en løsning; du foretrækker en, der er den bedst mulige løsning med de ressourcer, du har til rådighed for dig, og det er pr. definition en tilnærmet løsning. Du vil gerne have det bedre, men disse ting er ikke tilgængelige for dig på grund af problemets natur. Så netop denne maskine, som vi har bygget, er designet til at konkurrere med de maskiner, der giver den slags løsninger.

JP : Scott Aaronson sagde, at Orion var lige så nyttig som en roastbeef-sandwich. Du føler åbenbart, at det er fornærmende; men vil du ikke indrømme, at din computer ikke er særlig nyttig, da den løser problemer langsommere end en klassisk computer?

GR : Formålet med demoen var ikke at vise en-til-en ydeevne overlegenhed i forhold til konventionelle systemer. Formålet med det var at lave et system proof of concept og at køre kommercielt relative applikationer på en kvantecomputer, hvilket aldrig engang er blevet gjort før – ikke engang tæt på. Dette er langt over det nyeste. Så i forhold til den faktiske tid, det tager at løse problemer, er Orion, som den ser ud i øjeblikket, omkring 100 gange langsommere end en pc, der kører de bedste algoritmer. Hvis du var ekspert, kunne du definere en god algoritme på nettet, bruge 1.000 dollars på en pc, og du kunne slå systemet med en faktor 100. Så i den forstand har Scott ret, selvom det sådan set ikke er meningen.

JP : Jamen, hvad er meningen så?

GR : Pointen er, at demonstrationen viser en klar vej fra hvor vi er i dag og ind i fremtiden. Disse fremtidige maskiner vil være væsentligt bedre.

JP : Planen er at demonstrere en 1.024-qubit maskine i 2008?

GR : Ja, i midten af ​​2008. Men før det kommer vi til at have et online system, som folk kan bruge, som de kan programmere applikationer til.

JP : Det virker usandsynligt hurtigt. Hvordan vil du gøre det?

GR : Nå, der er tre ting, der skal gøres.

Den første er, at det design, du bruger til processoren, specifikt input-output-systemerne, skal være skalerbart, ikke kun i princippet, men i praksis. De fleste af de forslag, der er blevet fremsat til kvanteberegningsarkitekturer, faktisk alle indtil videre, er ikke skalerbare i den forstand. I vores tilfælde mener vi, at vi har fundet en vej til reel skalerbarhed i hardwaren. Den primære ting, der skal overvindes, er dette spørgsmål om, hvordan du får information ind og ud af chippen. Vi tror, ​​vi har fundet en vej uden om det problem.

Den anden ting er, hvordan du bygger det, og det er et fabrikationsproblem. En del af grunden til, at vi valgte den tilgang, vi valgte, er, at de kredsløb, vi bruger som grundlag for disse ting, kan designes, bygges og testes ved hjælp af standard halvlederprocedurer. Så vi behøver ikke at opfinde nogen ny fabrikationsteknologi bortset fra at få processen til at køre i første omgang.

Den tredje ting, som nok er det sværeste spørgsmål at besvare, er dette: givet at vi kan bygge det og sende information ind og ud af det, vil det så i virkeligheden fortsætte med at fungere som en kvantecomputer? Det er et punkt, som vi simpelthen ikke kan svare på på nuværende tidspunkt, fordi ingen har været i stand til at modellere systemer på det niveau med nogen forudsigelsesevne overhovedet. Det er for kompliceret. Det er et spørgsmål, der kun kan besvares empirisk. Så vores filosofi er, lav en ny processor hver måned. Lad os sige, at vi har 12 generationer om året, noget ser ikke ud til at virke; vi kan ordne det gennem iterativt redesign.

JP : Hvordan adskiller din kommercielle tilgang sig fra akademiets?

GR : Akademikerens tilgang er ikke nødvendigvis værre end vores, men den er anderledes. Vores tilgang er at smide så mange qubits, som du overhovedet kan, på en chip, få den til at løse reelle problemer og derefter bruge ydeevnen på disse problemer som den metrik, hvormed du måler, hvad der er bedre og hvad der er værre. Så når du øger maskinens evne, øger du maskinens evne til at løse problemer hurtigere og større problemer. Sammenlignet med de akademiske tilgange er vores hurtige og beskidte, selvom jeg ikke synes, den er mindre forsigtig.

JP : Hvilken slags ting kan jeg gøre med en 1.024-qubit kvantecomputer?

GR : Der er masser og masser af eksisterende kommercielle applikationer, der kræver en optimal løsning på et problem med en masse variable. For eksempel i chipdesign er mange af de problemer, der har at gøre med hardwaredesignverifikation, af denne slags. Der er også masser af applikationer inden for finansiel teknik, som investeringsbanker har været meget interesserede i at forfølge hos os: ting som porteføljeoptimering, risikoreduktion, udvælgelse og prissætning af derivater. Derudover er hvert eneste planlægningsproblem, der findes i verden, et af disse problemer. Du kan forestille dig nogen som et flyselskab eller en føderal regeringsorganisation, der skulle planlægge en masse mennesker, hvor der er alle mulige spørgsmål om, hvem der arbejder hvor, og hvem der får adgang til hvad og hvorfor. Disse problemer skaber disse massive konfliktløsningsscenarier, som simpelthen ikke kan håndteres i dag. De er for svære at løse i den tid, som folk ønsker at løse dem på. Jeg tror, ​​at den måde, det kommer til at se ud i fremtiden, er, at enhver, der har en betydelig planlægning, routing, planlægning, anvendelse – alle disse applikationer vil blive overført til vores maskiner, som vil være tilgængelige online.

skjule