"La gran ola en Kanagawa" - un grabado en madera del artista japonés del siglo XIX Katsushiki HokusaiA principios de marzo,
D-Wave Systems anunció el lanzamiento de su nueva computadora que funciona según el principio de
recocido cuántico . La nueva máquina realizó varias mejoras técnicas, y también cambió significativamente la ubicación física de los componentes. ¿Qué significa esto? Junto con los recursos en línea de D-Wave, un dispositivo que se acerca a un estado de utilidad está comenzando a tomar forma.
Hacer una computadora sin problemas
Antes de llegar al delicioso relleno, primero debes roer el borde de la galleta, es decir, descubrir qué es el recocido cuántico. La mayoría de las computadoras funcionan de manera directa: para agregar dos números, creamos un conjunto de puertas lógicas que realizarán la suma. Cada una de las puertas realiza un conjunto de operaciones claramente definidas en los datos de entrada.
Pero esta no es la única forma de hacer los cálculos. La mayoría de las tareas se pueden escribir de modo que sean equivalentes a la tarea de minimizar la energía. En esta versión, la tarea es un panorama energético, y la solución es la mínima energía posible en él. La conclusión es encontrar una combinación de valores de bits que denoten esta energía.
Para hacer esto, debe comenzar con un panorama de energía plana: todos los bits tendrán una energía mínima. Luego, lenta y cuidadosamente, cambiamos el paisaje alrededor de las partes hasta que comienza a representar nuestra tarea. Si todo se hace correctamente, los bits permanecerán en un estado con mínima energía. Obtenemos la solución considerando sus valores.
Aunque todo esto funciona sin física cuántica, D-Wave lo hace con la ayuda de bits cuánticos (qubits). Esto significa que los qubits se correlacionan entre sí, esto se llama entrelazamiento cuántico. Como resultado, cambian sus valores juntos, y no por separado.
Tunelización
Como resultado, se hace posible un efecto conocido como túnel cuántico. Imagine un qubit atrapado en un estado de alta energía. Cerca hay un estado con menos energía al que le gustaría ir el qubit. Pero para llegar allí, primero necesita entrar en un estado con más energía. En el sistema clásico, esto se convierte en una barrera para lograr un estado con menos energía. Pero en un qubit cuántico, puede hacer un túnel a través de una barrera de energía, entrando en un estado con menos energía.
Estas dos propiedades pueden permitir que una computadora controlada por D-Wave encuentre soluciones a algunos problemas más rápido que un clásico.
Pero el diablo se esconde en las pequeñas cosas. En una computadora, el panorama energético se construye mediante la unión (unión física) de qubits. La vinculación controla cuánto afecta el valor de un qubit al valor del resto.
Este momento siempre ha sido un problema para la máquina de D-Wave. En condiciones ideales, cada qubit tendrá conexiones con cualquier otro qubit. Pero organizar una cantidad tan grande de conexiones no es práctico.
Codos por su cuenta
Las consecuencias de la falta de conexiones son muy graves. Algunas tareas simplemente no se pueden rehacer para resolver en máquinas D-Wave. Y a veces, en los casos en que la tarea puede rehacerse, los cálculos serán ineficaces. Imagine que para resolver el problema, necesita conectar qubits con los números uno y tres, pero no están directamente conectados. En este caso, debe buscar qubits comunes para ambos. Supongamos que el qubit uno está conectado al qubit cinco, y el qubit dos está conectado a los qubits cinco y tres. Entonces, el qubit lógico será una combinación del primero y el quinto. Qubit lógico tres: una combinación del segundo y el tercero. D-Wave llama a esta secuencia la longitud de la cadena. En este caso, la longitud es dos.
Debido a la conexión en cadenas de qubits físicos para obtener qubits lógicos, quedan menos qubits disponibles para el cálculo.
D-Wave planeó construir patrones de qubit aún más complejos para aumentar la conectividad. Cuanto mayor es la conectividad, menor es la longitud de las cadenas, más qubits lógicos libres. Y si los qubits están estrechamente conectados entre sí, y la conectividad es grande, con la ayuda de una máquina de este tipo se pueden resolver más problemas.
La eficiencia de estructurar algunas tareas será extremadamente baja, es decir, la arquitectura D-Wave simplemente no es adecuada para su solución. Pero con el aumento de la conectividad, el número de tareas inapropiadas disminuirá.
En la versión anterior de la máquina, los qubits se distribuían en bloques de ocho piezas para mejorar la conectividad de los bloques diagonales en comparación con la versión anterior de la máquina. Como resultado, la situación con longitudes de cadena ha mejorado un poco.
Arquitectura D-Wave 2000QAhora D-Wave ha cambiado a un esquema de conectividad conocido como el "Conde de Pegasus". No sé cómo describirlo exactamente, así que lo describiré no muy correctamente desde el punto de vista de una teoría gráfica rigurosa, pero es más claro. En lugar de bloques idénticos de ocho qubits, la máquina ahora tiene dos tipos de bloques: ocho piezas y dos piezas.
En bloques de ocho qubits, como antes, se ubican a lo largo de los bucles interno y externo. Pero, como se muestra en el video, ahora los bucles internos y externos tienen conexiones adicionales. Esto significa que cada qubit en un bloque pequeño tiene cinco enlaces.
Los bloques mismos ya no están dispuestos en la red correcta, y hay más conexiones entre qubits de diferentes bloques. En la generación anterior, los qubits en bucles externos estaban conectados con otros qubits en bucles externos, y ahora cada qubit está conectado con bucles internos y externos de bloques vecinos.
Además, ha aparecido una nueva red de comunicaciones a larga distancia entre diferentes bloques. Cada qubit tiene una conexión relativamente distante con otro qubit en la unidad remota. La densidad de las juntas distantes aumenta debido al segundo bloque de construcción principal, que consiste en un par combinado de qubits. Los pares están ubicados alrededor de los bloques principales y complementan la conectividad distante.
La idea es que en grupos de ocho qubits ubicados en el borde del chip, la densidad de enlace es casi la misma que la de los grupos internos, a diferencia de los gráficos de la clase "quimera".
Acortamiento de la cadena
¿Qué significa todo esto? En primer lugar, la similitud de las columnas "quimera" y "pegaso" significa que el código desarrollado para la "quimera" también debería funcionar en el pegaso. Mayor conectividad significa longitudes de cadena reducidas y mayor confiabilidad.
Para que pueda imaginar cuánto mejora la situación el nuevo gráfico, diré que una red cuadrada con conexiones diagonales requiere cadenas de seis unidades en gráficos del tipo "quimera" y dos unidades en gráficos del tipo "Pegasus". En general, la longitud de las cadenas se reduce dos o más veces. Como resultado, el tiempo de funcionamiento se reduce en un 30-75%.
Además del nuevo gráfico, D-Wave mejoró el trabajo de la computadora a nivel técnico: el nivel de ruido de los qubits es menor y su número ha aumentado significativamente. La compañía planea usar la nueva arquitectura para llevar el número de qubits a 5000 (desde 2000). Todos estos cambios arquitectónicos significan que se pueden usar muchos más qubits físicos como lógicos independientes, por lo que la actualización será mucho más significativa.