D-Wave verband Qubits ungewöhnlich miteinander und erhöhte die Geschwindigkeit eines Quantencomputers erheblich

"Die große Welle in Kanagawa" - ein Holzschnitt des japanischen Künstlers Katsushiki Hokusai aus dem 19. Jahrhundert

Anfang März kündigte D-Wave Systems die Veröffentlichung seines neuen Computers an, der nach dem Prinzip des Quantenglühens arbeitet . Die neue Maschine hat mehrere technische Verbesserungen vorgenommen und den physischen Standort der Komponenten erheblich verändert. Was bedeutet das? Zusammen mit den Online-Ressourcen von D-Wave nimmt ein Gerät Gestalt an, das sich einem nützlichen Zustand nähert.

Einen reibungslosen Computer erstellen

Bevor Sie zur köstlichen Füllung gelangen, müssen Sie zuerst am Rand des Kekses nagen - das heißt, herausfinden, was Quantenglühen ist? Die meisten Computer arbeiten auf einfache Weise: Um zwei Zahlen hinzuzufügen, erstellen wir eine Reihe von Logikgattern, die die Addition durchführen. Jedes der Gatter führt einen Satz seiner klar definierten Operationen an den Eingabedaten aus.

Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, die Berechnungen durchzuführen. Die meisten Aufgaben können so geschrieben werden, dass sie der Aufgabe der Energieminimierung entsprechen. In dieser Version ist die Aufgabe eine Energielandschaft, und die Lösung ist die minimal mögliche Energie darauf. Die Quintessenz besteht darin, eine Kombination von Bitwerten zu finden, die diese Energie bezeichnen.

Dazu müssen Sie mit einer flachen Energielandschaft beginnen: Alle Bits haben nur minimale Energie. Dann ändern wir langsam und vorsichtig die Landschaft um die Teile herum, bis sie beginnt, unsere Aufgabe darzustellen. Wenn alles richtig gemacht ist, bleiben die Bits in einem Zustand mit minimaler Energie. Wir erhalten die Lösung, indem wir ihre Werte berücksichtigen.

Obwohl dies alles ohne Quantenphysik funktioniert, tut D-Wave dies mit Hilfe von Quantenbits (Qubits). Dies bedeutet, dass Qubits miteinander korrelieren - dies wird als Quantenverschränkung bezeichnet. Infolgedessen ändern sie ihre Werte zusammen und nicht getrennt.

Tunnelbau

Infolgedessen wird ein als Quantentunneln bekannter Effekt möglich. Stellen Sie sich ein Qubit vor, das in einem Zustand hoher Energie steckt. In der Nähe gibt es einen Zustand mit weniger Energie, in den das Qubit gehen möchte. Aber um dorthin zu gelangen, muss er zuerst in einen Zustand mit mehr Energie gehen. Im klassischen System wird dies zu einem Hindernis für das Erreichen eines Zustands mit weniger Energie. In einem Quanten-Qubit kann es jedoch durch eine Energiebarriere tunneln und in einen Zustand mit weniger Energie eintreten.

Mit diesen beiden Eigenschaften kann ein von D-Wave gesteuerter Computer schneller als ein Klassiker Lösungen für einige Probleme finden.

Aber der Teufel versteckt sich in den kleinen Dingen. In einem Computer wird die Energielandschaft durch die Bindung (physikalische Vereinigung) von Qubits aufgebaut. Durch das Verknüpfen wird gesteuert, wie stark sich der Wert eines Qubits auf den Wert des Rests auswirkt.

Dieser Moment war schon immer ein Problem für die Maschine von D-Wave. Unter idealen Bedingungen hat jedes Qubit Verbindungen zu jedem anderen Qubit. Es ist jedoch unpraktisch, eine so große Anzahl von Verbindungen zu organisieren.

Ellen für sich

Die Folgen des Mangels an Verbindungen sind sehr schwerwiegend. Einige Aufgaben können auf D-Wave-Computern einfach nicht wiederholt werden. Und manchmal, in Fällen, in denen die Aufgabe wiederholt werden kann, sind die Berechnungen unwirksam. Stellen Sie sich vor, Sie müssen Qubits mit den Nummern eins und drei verbinden, um das Problem zu lösen, aber sie sind nicht direkt miteinander verbunden. In diesem Fall müssen Sie nach Qubits suchen, die beiden gemeinsam sind. Angenommen, Qubit eins ist mit Qubit fünf verbunden, und Qubit zwei ist mit Qubits fünf und drei verbunden. Dann ist das logische Qubit eins eine Kombination aus dem ersten und dem fünften. Logisches Qubit drei - eine Kombination aus dem zweiten und dritten. D-Wave nennt diese Sequenz die Länge der Kette. In diesem Fall beträgt die Länge zwei.

Aufgrund der Verbindung in Ketten von physischen Qubits, um logische Qubits zu erhalten, bleiben weniger Qubits für die Berechnung verfügbar.

D-Wave plante, noch komplexere Qubit-Muster zu erstellen, um die Konnektivität zu verbessern. Je größer die Konnektivität, desto kürzer die Kettenlänge, desto mehr freie logische Qubits. Und wenn Qubits eng miteinander verbunden sind und die Konnektivität groß ist, können mit Hilfe einer solchen Maschine weitere Probleme gelöst werden.

Die Effizienz bei der Strukturierung einiger Aufgaben ist äußerst gering, dh die D-Wave-Architektur ist für ihre Lösung einfach nicht geeignet. Mit zunehmender Konnektivität nimmt jedoch die Anzahl unangemessener Aufgaben ab.

In der vorherigen Version der Maschine wurden Qubits in Blöcken von acht Teilen verteilt, um die Konnektivität der diagonalen Blöcke im Vergleich zur vorherigen Version der Maschine zu verbessern. Infolgedessen hat sich die Situation mit Kettenlängen etwas verbessert.


D-Wave 2000Q-Architektur

Jetzt hat D-Wave auf ein Konnektivitätsschema umgestellt, das als "Count of Pegasus" bekannt ist. Ich weiß nicht, wie ich es genau beschreiben soll, daher werde ich es unter dem Gesichtspunkt einer strengen Graphentheorie nicht sehr richtig beschreiben, aber es ist klarer. Anstelle von identischen Blöcken mit acht Qubits verfügt die Maschine jetzt über zwei Arten von Blöcken: acht Teile und zwei Teile.

In Blöcken von acht Qubits befinden sich nach wie vor entlang der inneren und äußeren Schleife. Wie im Video gezeigt, haben die internen und externen Schleifen jetzt zusätzliche Verbindungen. Dies bedeutet, dass jedes Qubit in einem kleinen Block fünf Verbindungen hat.

Die Blöcke selbst sind nicht mehr im richtigen Gitter angeordnet, und es gibt mehr Verbindungen zwischen Qubits aus verschiedenen Blöcken. In der vorherigen Generation wurden Qubits in externen Schleifen mit anderen Qubits in externen Schleifen verbunden, und jetzt ist jedes Qubit sowohl mit internen als auch externen Schleifen benachbarter Blöcke verbunden.



Darüber hinaus ist ein neues Netzwerk für die Fernkommunikation zwischen verschiedenen Blöcken entstanden. Jedes Qubit hat eine relativ entfernte Verbindung mit einem anderen Qubit in der entfernten Einheit. Die Dichte der entfernten Fugen nimmt aufgrund des zweiten Hauptbausteins zu, der aus einem kombinierten Paar Qubits besteht. Paare befinden sich um die Hauptblöcke und ergänzen die entfernte Konnektivität.

Die Idee ist, dass in Gruppen von acht Qubits am Rand des Chips die Bindungsdichte im Gegensatz zu Graphen der „Chimären“ -Klasse fast dieselbe ist wie die der internen Gruppen.

Kettenverkürzung

Was bedeutet das alles? Erstens bedeutet die Ähnlichkeit der Spalten „Chimäre“ und „Pegasus“, dass der für die „Chimäre“ entwickelte Code auch für den Pegasus funktionieren sollte. Erhöhte Konnektivität bedeutet reduzierte Kettenlängen und erhöhte Zuverlässigkeit.

Damit Sie sich vorstellen können, um wie viel der neue Graph die Situation verbessert, möchte ich sagen, dass ein quadratisches Gitter mit diagonalen Verbindungen Ketten von sechs Einheiten in Graphen vom Typ „Chimäre“ und zwei Einheiten in Graphen vom Typ „Pegasus“ erfordert. Im Allgemeinen wird die Länge der Ketten um das Zwei- oder Mehrfache verringert. Dadurch wird die Betriebszeit um 30-75% reduziert.

Zusätzlich zum neuen Diagramm hat D-Wave die Computerleistung auf technischer Ebene verbessert: Der Rauschpegel von Qubits ist geringer und ihre Anzahl hat erheblich zugenommen. Das Unternehmen plant, mithilfe der neuen Architektur die Anzahl der Qubits auf 5000 zu erhöhen (seit 2000). All diese architektonischen Änderungen bedeuten, dass viel mehr physische Qubits als unabhängige logische verwendet werden können, sodass das Upgrade viel bedeutender sein wird.