Czy D- Wave Two jest naprawdę kwantowy?

Bieżący rok mija pod znakiem ostrej kłótni w rodzinnym gronie fanatyków Artifical Intelligence. Kłótnia dotyczy pierwszych komercjalnych komputerów kwantowych wyprodukowanych przez dosyć kontrowersyjną firmę kanadyjską o nazwie D-Wave Systems.

 [Foto:physicsworld.com]

D-wave Two, to już druga generacja procesorów kwantowych

[ pierwsza generacja działa eksperymentalnie od początku roku 2012 w NASA,Google i w Universities Space Research Association ], po raz pierwszy dostępna w handlu –nabył ją Lockheed Martin [2] .

Komputer kwantowy działa na zasadzie wykorzystania zjawisk i praw mechaniki kwantowej [ pojęcia qubitu,superpozycji wektora stanu "psi" oraz splątania kwantowego]. Teorię działania komputera kwantowego przedstawił w połowie lat 80-tych brytyjski fizyk David Deutsch , a zmodyfikował ją  polski informatyk i fizyk Dr Artur Ekert,obydwaj związani z Oksfordem.

Dane w komputerze kwantowym są reprezentowane przez aktualny stan kwantowy układu stanowiącego komputer. Jego ewolucja odpowiada procesowi obliczeniowemu. Odpowiednie zaplanowanie ewolucji układu kwantowego, czyli stworzenie algorytmu kwantowego pozwala na uzyskanie wyników szybciej niż za pomocą tradycyjnych pecetów.

Komputer kwantowy pracuje na kwantowych bramkach logicznych..

Kwantowy bit, tzw. kubit, nie przyjmuje wartości 1 lub 0, tak jak bit w pececie.Kubit jest kwantową superpozycją zera i jedynki , a więc kubitem może być elektron lub foton [ ich stany]. Kubit niesie w sobie naraz o wiele więcej informacji niż zero-jedynkowy bit. Dlatego jest w stanie wykonać równolegle wiele obliczeń.

Rejestr kwantowy, jako złożony z kubitów, może być w stanie będącym dowolną superpozycją wielu ciągów zero-jedynkowych. Jeśli w takim rejestrze kwantowym zapisana by została jakaś duża baza danych, wykonanie pewnej operacji na kubitach tego rejestru byłoby równoznaczne z wykonaniem tej operacji na wszystkich danych naraz.

Jednak algorytmy wykonywane przez komputer kwantowy są algorytmami probabilistycznymi co oznacza , że uruchamiając ten sam program na komputerze kwantowym dwukrotnie, można by było otrzymać zupełnie różne wyniki ze względu na losowość procesu kwantowego pomiaru.

D-Wave Two pracujący u Lockheed Martin, to procesor 512 kubitowy złożony z 64 jednostek po 8 kubitów. Aby zminimalizować wpływ środowiska zewnętrznego na superpozycję kubitów [dekoherencja] układ jest trzymany w temperaturze rzędu 20 mK i w obudowie izolucjącej od wpływu pola magnetycznego Ziemi.

Wiosną tego roku komputer kwantowy zmierzył się z tradycyjnym pecetem.

Catherine McGeoch z Amherst College w Massachusetts, która pracuje jako konsultantka w D-Wave, we współpracy z Congiem Wangiem z Simon Fraser University, przeprowadziła eksperymenty [3] , podczas których użyto maszyny D-Wave Two korzystającej z 439 kubitów utworzonych z nadprzewodzących pętli z niobu, oraz highendowego peceta. D-Wave jest przeznaczony do rozwiązywaniu konkretnych problemów obliczeniowych. Robi to tak ,że wyznacza gęstość prawdopodobieństwa wszystkich możliwych rozwiązań równania i tym samym pozwala dostać optymalne rozwiązanie. I takie zadanie postawiono przed obiema maszynami.

Każdy z komputerów miał pół sekundy na zoptymalizowanie wyników pewnego równania.

D-Wave za każdym razem podał odpowiedź w ciągu pół sekundy. Tymczasem najszybszy tradycyjny algorytm CPLX szukał rozwiązania najbardziej skomplikowanych problemów przez pół godziny. Oznacza to, że D-Wave był 3600 razy szybszy niż tradycyjnyy pecet.

Uderzające były różnice w sposobie przeprowadzania obliczeń. Maszyna klasyczna rozpoczynała je bardzo powoli, potem gwałtowanie przyspieszała, a następnie powoli generowała najlepsze odpowiedzi. D-Wave Two podawał odpowiedzi niemal natychmiast. Przedstawiciel D-Wave Systems twierdzi, że komputer D-Wave Two może wykonać 10^38 obliczeń naraz ,co zajęłoby najlepszym PC miliony lat.Ale w świecie informatyków i fizyków są poważne spory co do tego ,czy D-Wave  One/Two  są w pełni komputerami kwantowymi [4]. Poza tym ich nadzwyczajna szybkość może wynikać z faktu ,iż są to maszyny przeznaczone do określonych zadań , a klasyczny pecet  ma funkcje różnorodne.Z uwagi na koszt [niebotycznie wysoki] oraz rozmiary  ,w najbliższej przyszłości raczej do domów nie zawitają.

　Literatura

[1] T.F.Roenow and All, Defining and detecting quantum speedup Science DOI: 10.1126/science.1252319

[2] A.Cho, Quantum or not, controversial computer yields no speedup,Computer Science Science 20 June 2014: Vol. 344 no. 6190 pp. 1330-1331DOI:10.1126/science.344.6190.1330

[3]C.C.McGeoch,Cong Wang, Experimental Evaluation of an Adiabiatic Quantum System for Combinatorial Optimization,www.cs.amherst.edu/ccm/

[4] W.Vinci,T.Albasch,D.A.Lidar,Distinguishing Classical and Quantum Models for the D-Wave Device, arXiv:1403.4228v3 [quant-ph] ,18.07.2014