Sommige wiskundige problemen zijn zo ingewikkeld dat ze zelfs 's werelds krachtigste supercomputers kunnen laten vastlopen. Maar een wilde nieuwe grens in informatica die de regels van het kwantumrijk toepast, biedt een andere benadering.

Een nieuwe studie onder leiding van een natuurkundige van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , beschrijft hoe een kwantumcomputertechniek genaamd "quantum annealing" kan worden gebruikt om problemen op te lossen die relevant zijn voor fundamentele vragen in de kernfysica over de subatomaire bouwstenen van alle materie. Het kan ook helpen bij het beantwoorden van andere lastige vragen in de wetenschap en de industrie, te.

Op zoek naar een kwantumoplossing voor echt grote problemen

"Er bestaat geen kwantumgloeialgoritme voor de problemen die we proberen op te lossen, " zei Chia Cheng "Jason" Chang, een RIKEN iTHEMS-fellow in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab en een onderzoekswetenschapper bij RIKEN, een wetenschappelijk instituut in Japan.

"De problemen waar we naar kijken zijn echt, echt groot, " zei Chang, die het internationale team achter de studie leidde. "Het idee hier is dat de quantum-annealer een groot aantal variabelen tegelijkertijd kan evalueren en uiteindelijk de juiste oplossing kan retourneren."

Hetzelfde probleemoplossende algoritme dat Chang bedacht voor de laatste studie, en die beschikbaar is voor het publiek via open source code, kan mogelijk worden aangepast en geschaald voor gebruik in systeemtechniek en operationeel onderzoek, bijvoorbeeld, of in andere industriële toepassingen.

Klassieke algebra met een kwantumcomputer

"We zijn kleine 'speelgoed'-voorbeelden aan het bedenken om te ontwikkelen hoe een algoritme werkt. De eenvoud van de huidige kwantumgloeiers is dat de oplossing klassiek is - vergelijkbaar met het doen van algebra met een kwantumcomputer. Je kunt controleren en begrijpen wat je doet met een quantum annealer op een eenvoudige manier, zonder de enorme overhead van het klassiek verifiëren van de oplossing."

Chang's team gebruikte een commerciële kwantumuitgloeier in Burnaby, Canada, genaamd de D-Wave 2000Q die supergeleidende elektronische elementen bevat die tot extreme temperaturen zijn gekoeld om zijn berekeningen uit te voeren.

Toegang tot de D-Wave annealer werd verleend via de Oak Ridge Leadership Computing Facility in Oak Ridge National Laboratory (ORNL). "Deze methoden zullen ons helpen de belofte van kwantumcomputers te testen om problemen in toegepaste wiskunde op te lossen die belangrijk zijn voor de wetenschappelijke computermissie van het Amerikaanse ministerie van Energie, " zei Travis Humble, directeur van het Quantum Computing Institute van ORNL.

Kwantumgegevens:een één, een nul, of beide tegelijk

Er zijn momenteel twee van deze machines in bedrijf die beschikbaar zijn voor het publiek. Ze werken door een algemene regel in de natuurkunde toe te passen:systemen in de natuurkunde hebben de neiging om hun laagste energietoestand te zoeken. Bijvoorbeeld, in een reeks steile heuvels en diepe valleien, een persoon die dit terrein doorkruist, zou de neiging hebben om in de diepste vallei te eindigen, omdat het veel energie kost om eruit te klimmen en de minste hoeveelheid energie om zich in deze vallei te vestigen.

De annealer past deze regel toe op berekeningen. Op een normale computer, geheugen wordt opgeslagen in een reeks bits die worden ingenomen door een of een nul. Maar kwantumcomputing introduceert een nieuw paradigma in berekeningen:kwantumbits, of qubits. Met qubits, informatie kan bestaan ​​als één, een nul, of beide tegelijk. Deze eigenschap maakt kwantumcomputers beter geschikt voor het oplossen van sommige problemen met een zeer groot aantal mogelijke variabelen waarmee voor een oplossing rekening moet worden gehouden.

Elk van de qubits die in de laatste studie zijn gebruikt, levert uiteindelijk een resultaat op van een één of een nul door de regel met de laagste energietoestand toe te passen, en onderzoekers testten het algoritme met maximaal 30 logische qubits.

Het algoritme dat Chang heeft ontwikkeld om op de kwantumuitgloeier te draaien, kan polynoomvergelijkingen oplossen, dit zijn vergelijkingen die zowel getallen als variabelen kunnen hebben en zijn ingesteld om op te tellen tot nul. Een variabele kan elk getal in een groot aantal getallen vertegenwoordigen.

Wanneer er 'minder maar zeer dichte berekeningen' zijn

Berkeley Lab en het naburige UC Berkeley zijn een broeinest geworden voor R&D in het opkomende gebied van kwantuminformatiewetenschap, en vorig jaar de oprichting aangekondigd van een partnerschap genaamd Berkeley Quantum om dit gebied vooruit te helpen.

Chang zei dat de benadering van kwantumgloeien die in het onderzoek werd gebruikt, ook bekend als adiabatische kwantumcomputing, "werkt goed voor minder maar zeer dichte berekeningen, ’ en dat de techniek hem aansprak omdat de regels van de kwantummechanica hem als natuurkundige bekend zijn.

De gegevensuitvoer van de annealer was een reeks oplossingen voor de vergelijkingen gesorteerd in kolommen en rijen. Deze gegevens werden vervolgens in kaart gebracht in een weergave van de qubits van de uitgloeier, Chang legde uit, en het grootste deel van het algoritme was ontworpen om goed rekening te houden met de sterkte van de interactie tussen de qubits van de annealer. "We hebben het proces duizenden keren herhaald" om de resultaten te valideren, hij zei.

"Het klassiek oplossen van het systeem met deze benadering zou exponentieel lang duren om te voltooien, maar het verifiëren van de oplossing was erg snel "met de annealer, hij zei, omdat het een klassiek probleem oplost met één enkele oplossing. Als het probleem kwantum van aard was, de oplossing zou naar verwachting elke keer dat u deze meet anders zijn.

Real-world toepassingen voor een kwantumalgoritme

Omdat kwantumcomputers zijn uitgerust met meer qubits waarmee ze complexere problemen sneller kunnen oplossen, ze kunnen mogelijk ook leiden tot energiebesparingen door het gebruik van veel grotere supercomputers te verminderen die veel meer tijd nodig hebben om dezelfde problemen op te lossen.

De kwantumbenadering brengt directe en verifieerbare oplossingen binnen handbereik voor problemen met "niet-lineaire" systemen - waarbij de uitkomst van een vergelijking niet evenredig overeenkomt met de invoerwaarden. Niet-lineaire vergelijkingen zijn problematisch omdat ze onvoorspelbaarder of chaotischer kunnen lijken dan andere "lineaire" problemen die veel eenvoudiger en oplosbaarder zijn.

Chang zocht de hulp van quantum-computing-experts in quantum computing, zowel in de VS als in Japan, om het succesvol geteste algoritme te ontwikkelen. Hij zei dat hij hoopvol is dat het algoritme uiteindelijk nuttig zal zijn voor berekeningen die kunnen testen hoe subatomaire quarks zich gedragen en interageren met andere subatomaire deeltjes in de kernen van atomen.

Hoewel het een spannende volgende stap zal zijn om het algoritme toe te passen om kernfysische problemen op te lossen, "Dit algoritme is veel algemener dan alleen voor nucleaire wetenschap, ' merkte Chang op. 'Het zou spannend zijn om nieuwe manieren te vinden om deze nieuwe computers te gebruiken.'