“A Grande Onda em Kanagawa” - uma xilogravura de um artista japonês do século XIX Katsushiki HokusaiNo início de março, a
D-Wave Systems anunciou o lançamento de seu novo computador operando com o princípio do
recozimento quântico . A nova máquina fez várias melhorias técnicas, além de alterar significativamente a localização física dos componentes. O que isso significa? Juntamente com os recursos on-line da D-Wave, um dispositivo que se aproxima de um estado de utilidade está começando a tomar forma.
Fazendo um computador sem problemas
Antes de chegar ao recheio delicioso, você deve primeiro roer a borda do biscoito - isto é, descobrir o que é recozimento quântico? A maioria dos computadores funciona de maneira direta: para adicionar dois números, criamos um conjunto de portas lógicas que realizarão a adição. Cada um dos portões executa um conjunto de operações claramente definidas nos dados de entrada.
Mas essa não é a única maneira de fazer os cálculos. A maioria das tarefas pode ser escrita para que sejam equivalentes à tarefa de minimizar a energia. Nesta versão, a tarefa é um cenário de energia e a solução é a energia mínima possível. A linha inferior é encontrar uma combinação de valores de bits que denotam essa energia.
Para fazer isso, você precisa começar com um cenário de energia plana: todos os bits terão energia mínima. Então, lenta e cuidadosamente, mudamos a paisagem ao redor dos bits até que comece a representar nossa tarefa. Se tudo for feito corretamente, os bits permanecerão em um estado com energia mínima. Nós obtemos a solução considerando seus valores.
Embora tudo isso funcione sem a física quântica, o D-Wave faz isso com a ajuda de bits quânticos (qubits). Isso significa que os qubits se correlacionam entre si - isso é chamado emaranhamento quântico. Como resultado, eles alteram seus valores juntos, e não separadamente.
Tunelamento
Como resultado, um efeito conhecido como tunelamento quântico se torna possível. Imagine um qubit preso em um estado de alta energia. Nas proximidades, existe um estado com menos energia para o qual o qubit gostaria de entrar. Mas para chegar lá, ele primeiro precisa entrar em um estado com mais energia. No sistema clássico, isso se torna uma barreira para alcançar um estado com menos energia. Mas em um qubit quântico, ele pode atravessar uma barreira de energia, entrando em um estado com menos energia.
Essas duas propriedades podem permitir que um computador controlado pelo D-Wave encontre soluções para alguns problemas mais rapidamente do que um clássico.
Mas o diabo está escondido nas pequenas coisas. Em um computador, o cenário energético é construído pela ligação (união física) dos qubits. O link controla quanto o valor de um qubit afeta o valor do restante.
Esse momento sempre foi um problema para a máquina da D-Wave. Sob condições ideais, cada qubit terá conexões com todos os outros qubit. Mas organizar um número tão grande de conexões é impraticável.
Côvados por conta própria
As consequências da falta de conexões são muito graves. Algumas tarefas simplesmente não podem ser refeitas para serem resolvidas em máquinas D-Wave. E, às vezes, nos casos em que a tarefa pode ser refeita, os cálculos serão ineficazes. Imagine que, para resolver o problema, você precisa conectar qubits aos números um e três, mas eles não estão diretamente conectados. Nesse caso, você deve procurar por qubits comuns a ambos. Suponha que o qubit um esteja conectado ao qubit cinco e o qubit dois esteja conectado aos qubits cinco e três. Então o qubit lógico será uma combinação do primeiro e do quinto. Qubit lógico três - uma combinação do segundo e terceiro. O D-Wave chama essa sequência de comprimento da cadeia. Nesse caso, o comprimento é dois.
Devido à conexão em cadeias de qubits físicos para obter qubits lógicos, menos qubits permanecem disponíveis para o cálculo.
A D-Wave planejava criar padrões de qubit ainda mais complexos para aumentar a conectividade. Quanto maior a conectividade, menor o comprimento das cadeias, mais qubits lógicos livres. E se os qubits estiverem firmemente conectados, e a conectividade for grande, com a ajuda de uma máquina dessas, mais problemas poderão ser resolvidos.
A eficiência da estruturação de algumas tarefas será extremamente baixa, ou seja, a arquitetura D-Wave simplesmente não é adequada para sua solução. Mas com o aumento da conectividade, o número de tarefas inadequadas diminuirá.
Na versão anterior da máquina, os qubits eram distribuídos em blocos de oito peças, a fim de melhorar a conectividade dos blocos diagonais em comparação com a versão anterior da máquina. Como resultado, a situação com comprimentos de corrente melhorou um pouco.
Arquitetura D-Wave 2000QAgora, o D-Wave mudou para um esquema de conectividade conhecido como "Conde de Pegasus". Não sei como descrevê-lo exatamente, portanto, não o descreverei muito corretamente do ponto de vista de uma teoria estrita dos grafos, mas é mais claro. Em vez de blocos idênticos de oito qubits, a máquina agora possui dois tipos de blocos: oito peças e duas peças.
Em blocos de oito qubits, como antes, estão localizados ao longo dos circuitos interno e externo. Mas, como mostrado no vídeo, agora os loops internos e externos têm conexões adicionais. Isso significa que cada qubit em um pequeno bloco possui cinco links.
Os próprios blocos não estão mais dispostos na estrutura correta e há mais conexões entre qubits de diferentes blocos. Na geração anterior, qubits em loops externos eram conectados a outros qubits em loops externos e agora cada qubit é conectado a loops internos e externos de blocos vizinhos.
Além disso, uma nova rede de comunicações de longa distância entre diferentes blocos apareceu. Cada qubit tem uma conexão relativamente distante com outro qubit na unidade remota. A densidade das juntas distantes aumenta devido ao segundo bloco de construção principal, consistindo em um par combinado de qubits. Os pares estão localizados ao redor dos blocos principais e complementam a conectividade distante.
A idéia é que em grupos de oito qubits localizados na borda do chip, a densidade de ligação é quase a mesma dos grupos internos, diferentemente dos gráficos da classe "quimera".
Encurtamento da corrente
O que tudo isso significa? Em primeiro lugar, a semelhança das colunas "quimera" e "pegasus" significa que o código desenvolvido para a "quimera" também deve funcionar no "pegasus". Maior conectividade significa comprimentos reduzidos da cadeia e maior confiabilidade.
Para que você possa imaginar o quanto o novo gráfico melhora a situação, direi que uma treliça quadrada com conexões diagonais requer cadeias de seis unidades em gráficos do tipo "quimera" e duas unidades em gráficos do tipo "Pegasus". Em geral, o comprimento das correntes é reduzido em duas ou mais vezes. Como resultado, o tempo de operação é reduzido em 30-75%.
Além do novo gráfico, o D-Wave aprimorou o trabalho do computador em nível técnico: o nível de ruído dos qubits é menor e seu número aumentou significativamente. A empresa planeja usar a nova arquitetura para elevar o número de qubits para 5000 (desde 2000). Todas essas mudanças arquiteturais significam que muito mais qubits físicos podem ser usados como lógicos independentes, portanto a atualização será muito mais significativa.