Κβαντικός ή όχι, ο αμφιλεγόμενος υπολογιστής δεν λειτουργεί πιο γρήγορα από έναν κανονικό
Ο υπολογιστής D-Wave, που διατίθεται στο εμπόριο ως μια πρωτοποριακή κβαντική μηχανή που κάνει κύκλους γύρω από συμβατικούς υπολογιστές, λύνει προβλήματα όχι γρηγορότερα από έναν συνηθισμένο αντίπαλο, δείχνει μια νέα δοκιμή. Ορισμένοι ερευνητές αποκαλούν τη δοκιμή της αμφιλεγόμενης συσκευής, η οποία περιγράφεται διαδικτυακά σήμερα στο Science , η πιο δίκαιη σύγκριση μέχρι τώρα. Αλλά η D-Wave υποστηρίζει ότι οι υπολογισμοί που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη ήταν πολύ εύκολοι για να δείξουν τι μπορούν να κάνουν τα νέα τσιπ της.
«Αυτή είναι πιθανώς η πιο ενδελεχής και ακριβής μελέτη που έχει γίνει για την απόδοση της μηχανής D-Wave», λέει ο Helmut Katzgraber, ένας υπολογιστικός φυσικός στο Texas A&M University, College Station, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. Ωστόσο, ο Colin Williams, επιστήμονας κβαντικών υπολογιστών και διευθυντής επιχειρηματικής ανάπτυξης της D-Wave, λέει ότι τα προβλήματα που χρησιμοποιήθηκαν ως σημεία αναφοράς "δεν ήταν καθόλου η σωστή επιλογή για την ανίχνευση μιας κβαντικής επιτάχυνσης."
Η D-Wave Systems, μια startup στο Burnaby του Καναδά, πούλησε μηχανήματα στη Lockheed Martin Corp. και στην Google. Η εταιρεία ισχυρίστηκε ότι μια παλαιότερη έκδοση της μηχανής 10 εκατομμυρίων δολαρίων ήταν 35.500 φορές ταχύτερη από έναν συνηθισμένο υπολογιστή. Ωστόσο, για να δοκιμάσουν τη μηχανή του D-Wave, ο Matthias Troyer, ένας φυσικός στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Ζυρίχη, και οι συνεργάτες του δεν το συναγωνίστηκαν απλώς με έναν συνηθισμένο υπολογιστή. Αντίθετα, μέτρησαν πώς ο χρόνος που απαιτείται για την επίλυση ενός προβλήματος αυξάνεται ανάλογα με το μέγεθος του προβλήματος. Αυτό είναι το κλειδί γιατί η όλη ιδέα πίσω από τον κβαντικό υπολογιστή είναι ότι ο χρόνος θα μεγαλώσει πολύ πιο αργά για έναν κβαντικό υπολογιστή παρά για έναν συνηθισμένο. Ειδικότερα, ένας πλήρης «καθολικός» κβαντικός υπολογιστής θα πρέπει να μπορεί να συνυπολογίζει τεράστιους αριθμούς ακόμη πιο γρήγορα από έναν συνηθισμένο υπολογιστή καθώς αυξάνεται το μέγεθος των αριθμών.
Η μηχανή D-Wave δεν είναι, ωστόσο, ένας παγκόσμιος κβαντικός υπολογιστής, αλλά ένας πιο περιορισμένος "κβαντικός ανόπτησης". Ο επεξεργαστής του αποτελείται από μια δισδιάστατη συστοιχία κβαντικών δυαδικών ψηφίων ή qubits, κατασκευασμένων από υπεραγώγιμους βρόχους που μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα. Τα qubits λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες που μπορούν να δείχνουν προς τα πάνω, προς τα κάτω ή -χάρη στην κβαντική παραξενιά- και πάνω και κάτω ταυτόχρονα. Κάθε qubit μπορεί να αλληλεπιδράσει με ορισμένα άλλα μέσω συνδέσμων που μπορούν να προγραμματιστούν έτσι ώστε τα qubit να μπορούν να μειώσουν την ενέργειά τους στρέφοντας είτε προς την ίδια κατεύθυνση είτε προς αντίθετες κατευθύνσεις. Η ιδέα είναι να κωδικοποιήσουμε ένα πρόβλημα προσδιορίζοντας τις εκατοντάδες αλληλεπιδράσεις μέσα στο τσιπ και να το λύσουμε βρίσκοντας τη χαμηλότερη ενεργειακή "βασική κατάσταση" των qubits.
Για να γίνει αυτό, το μηχάνημα ξεκινά με κάθε qubit σε κατάσταση πάνω και κάτω και ενεργοποιεί αργά τις αλληλεπιδράσεις. Στη συνέχεια, το σύστημα αναζητά τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, όπως ένα μάρμαρο που κυλάει σε ένα εξελισσόμενο ενεργειακό τοπίο για να βρει τη βαθύτερη κοιλάδα. Σε μια μη κβαντική συσκευή, η κίνηση της θερμικής ενέργειας θα οδηγούσε το μάρμαρο πάνω από το έδαφος στο χαμηλό σημείο μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται θερμική ανόπτηση. Στη μηχανή D-Wave, όμως, το μάρμαρο υποτίθεται ότι «τρέχει» κβαντικά μηχανικά μεταξύ των χαμηλών σημείων για να βρει το χαμηλότερο πιο γρήγορα. Για προβλήματα όπως η αναγνώριση προτύπων ή η μηχανική εκμάθηση, αυτό μπορεί να δώσει στην κβαντική μηχανή ένα πλεονέκτημα.
Είναι όμως το τσιπ D-Wave πραγματικά πιο γρήγορο από έναν συμβατικό υπολογιστή; Για να το ανακαλύψουν, ο Troyer και ο Daniel Lidar, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες, δοκίμασαν τη μηχανή Lockheed Martin έναντι ενός συμβατικού υπολογιστή προγραμματισμένου να προσομοιώνει τη θερμική ανόπτηση. Για να είναι απλά τα πράγματα για το τσιπ D-Wave, δεν του ζήτησαν να κάνει πρακτικούς υπολογισμούς. Αντίθετα, απλώς έθεσαν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των qubits τυχαία και μέτρησαν πόσο χρόνο χρειάστηκε το μηχάνημα για να βρει τη βασική του κατάσταση.
Παρά αυτό το πλεονέκτημα στο σπίτι, το τσιπ D-Wave δεν παρήγαγε κβαντική επιτάχυνση. Οι ερευνητές αντιμετώπισαν προβλήματα για διαφορετικές ομάδες qubits, που κυμαίνονταν από τη βασική μονάδα του τσιπ των οκτώ έως το σύνολο των 512. Ο υπολογιστικός χρόνος για τον συμβατικό υπολογιστή αυξήθηκε εκθετικά με τον αριθμό των qubits. Αλλά το ίδιο συνέβη και με το μηχάνημα D-Wave, λέει ο Troyer.
Κατά ειρωνικό τρόπο, το τεστ μπορεί να μην είναι αποκαλυπτικό επειδή τα προβλήματα μπορεί να ήταν εύκολα και για τον συνηθισμένο υπολογιστή, λέει ο Katzgraber της Texas A&M. Η επιλογή αλληλεπιδράσεων τυχαία, εξηγεί, συνήθως δημιουργεί προβλήματα δοκιμής στα οποία τα qubits κλειδώνουν σε μια διαμόρφωση χαμηλής ενέργειας μόνο ακριβώς σε μηδενική θερμοκρασία. Αυτό σημαίνει ότι σε οποιαδήποτε υψηλότερη θερμοκρασία, το ενεργειακό τοπίο κυλά απαλά και η θερμική ανόπτηση μπορεί εύκολα να ωθήσει το σύστημα στο διάλυμα. Δεδομένης της ευκολίας των προβλημάτων και για τα δύο μηχανήματα, λέει ο Katzgraber, η μελέτη είναι σαν "δύο σκιέρ παγκόσμιας κλάσης να αγωνίζονται στην πλαγιά του λαγουδιού."
Αλλά ορισμένοι ερευνητές αμφιβάλλουν ότι ένας κβαντικός ανόπτησης θα παράγει ποτέ μια χρήσιμη κβαντική επιτάχυνση. Η θεωρία υποδηλώνει έντονα ότι, σε αντίθεση με έναν παγκόσμιο κβαντικό υπολογιστή, δεν μπορεί, λέει ο Umesh Vazirani, επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. «Θα στοιχημάτιζα ότι δεν υπάρχει επιτάχυνση», λέει. Ο Χάρτμουτ Νέβεν, διευθυντής μηχανικής στην Google, απαντά ότι είναι "πεπεισμένος ότι θα μπορέσουμε να βρούμε κατηγορίες προβλημάτων για τις οποίες ένας κβαντικός ανόπτησης επόμενης γενιάς θα έχει καλύτερη απόδοση από κάθε κλασικό αλγόριθμο."
