D-WaveÎn 2013, NASA, în parteneriat cu Google, a achiziţionat cel mai puternic calculator cuantic din lume. Dar în ce scop doreşte agenţia spaţială să utilizeze un dispozitiv având un potenţial atât de revoluţionar? Am vorbit cu unul dintre cercetătorii lor importanţi pentru a afla un răspuns la această întrebare.

 

 

 

Dr. Rupak Biswas este director adjunct al Exploration Technology Directorate din cadrul Ames Research Center al NASA din Silicon Valley. Biswas şi echipa sa au colaborat la realizarea un sistem cuantic numit D-Wave, care în prezent utilizează 512 qubiţi. Poate părea o valoare mică, dar a devenit clar în timpul conversaţiei noastre că NASA are planuri mari în ceea ce priveşte calculul cuantic. Acesta ar urma să fie aplicat, printre altele, la analiza imenselor baze de date obţinute ca urmare a explorării spaţiului cosmic şi pentru controlul sondelor spaţiale robotizate.

Exoplaneta

O imagine artistică a unei exoplanete. NASA va folosi computerele cuantice pentru a analiza volumul uriaş de date obţinut cu ajutorul telescopului Kepler şi al altor telescoape spaţiale în vederea identificării planetelor îndepărtate cum ar fi aceasta din fotografie. Credit imagine: IAU/L. Calçada.

Într-adevăr, sistemele cuantice au potenţialul, cel puţin teoretic, de a schimba irevocabil modul în care vom efectua calculele. Spre deosebire de computerele obişnuite pe bază de siliciu (sau a calculatoarelor pe bază de nanotuburi de carbon), aceste sisteme se bazează pe fenomenele stranii ale mecanicii cuantice cum ar fi superpoziţia, inseparabilitatea cuantică şi paralelismul, ceea ce le permite să determine toate soluţiile posibile ale unei anumite probleme aproape instantaneu.

După părerea fizicianului David Deutsch, un sistem cuantic poate efectua un milion de calcule simultan, în timp ce un calculator obişnuit efectuează doar unul singur într-un anume moment de timp. Exprimat într-un alt mod, un sistem de 30 qubiţi ar avea o putere de calcul egală cu cea a unui calculator obişnuit de 10 teraflops (n.t.: flop - floating point operations per second - adică operaţii în virgulă mobilă pe secundă) şi care prelucrează trilioane de operaţii pe secundă.

Interior D-Wave

Imaginea prezintă interiorul calculatorului cuantic D-Wave Two, care se află în cadrul centrului de calcul Advanced Supercomputing (NAS) al NASA. Procesorul Vezuviu de 512 qubiţi este răcit la o temperatură de 20 mK (aproape de temperatura de zero absolut) care este de 100 de ori mai scăzută decât cea a spaţiului interstelar. Credit imagine: NASA Ames/John Hardman.

Aceste calculatoare ne vor ajuta să găsim soluţia cea mai bună a unei probleme complexe. Ca atare, ele vor revoluţiona modul în care vom efectua calculele, vom analiza şi optimiza datele, inclusiv în cazul unor domenii precum controlul traficului aerian, modelarea proteinelor, prognoza meteo, interogarea bazelor de date şi îmbunătăţirea schemelor de criptare a informaţiei.

Mai mult decât un simplu prototip

„Calculul cuantic a generat recent un interes deosebit, în special datorită modului prin care calculatorul cuantic D-Wave poate fi folosit pentru a rezolva probleme interesante", a declarat Biswas. „Am avut maşina operaţională din luna septembrie şi am simţit că este timpul să oferim publicului mai multe informaţii cu privire la ceea ce am făcut".

El ne-a declarat că dispozitivul cuantic de 512 qubiţi al NASA este mai mult decât un prototip, fiind de fapt gata să efectueze calcule.

„El arată în mod clar prezenţa caracteristicilor calculului cuantic, cum ar fi fenomenul de tunelare cuantică, deşi nu este încă clar dacă el demonstrează existenţa fenomenului de inseparabilitate cuantică", spune el. „Cercetarea pe care o efectuăm la Ames Center al NASA nu este doar dedicată înţelegerii modului în care se manifestă caracteristicile acestui presupus sistem cuantic (dacă într-adevăr le are), ci şi pentru a afla dacă se poate utiliza acest sistem pentru a rezolva probleme dificile de interes cum ar fi cele de optimizare, adică acele probleme care nu pot fi rezolvate cu ajutorul unor calculatoare obişnuite. Aceasta este etapa în care ne aflăm în prezent, aşa încât este prea devreme pentru a oferi un răspuns la aceste întrebări".

Aplicaţii cuantice

Echipa lui Biswas se ocupă în prezent cu realizarea a trei tipuri de aplicaţii de bază, inclusiv a unui tip care ar servi ca planificator de activităţi pentru astronauţii care se află pe orbită.

„Dacă încercaţi să programaţi sau să planificaţi o mulţime de sarcini pe Staţia Spaţială Internaţională, puteţi efectua acele sarcini numai dacă anumite condiţii sunt îndeplinite", explică el. „Şi după ce efectuaţi o sarcină anume este posibil să ajungeţi într-o situaţie în care să nu fiţi capabili să efectuaţi o altă sarcină. Aceasta ar putea reprezenta o problemă de optimizare dificilă pe care un sistem cuantic ar putea s-o rezolve".

În cadrul Ames Center se planifică, de asemenea, lucrările ce vor fi executate cu ajutorul supercomputerelor existente. Ames Center al NASA este responsabil pentru utilizarea supercomputerelor din cadrul agenţiei spaţiale. Fără îndoială, în orice moment există sute de sarcini individuale care rulează pe supercomputere, în timp ce multe altele sunt în aşteptare la rândul lor. Un scenariu foarte dificil ar implica existenţa unei sarcini în aşteptare care pentru a rula necesită, să zicem, 500 de noduri din cadrul unui supercomputer care are 1.000 de noduri disponibile.

„Care vor fi cele 500 de noduri din cele 1.000 de noduri care ar trebui alese pentru a executa sarcina?",  întreabă el. „Este o altă problemă foarte dificilă de planificare".

Al treilea tip de aplicaţie este reprezentat de telescopul Kepler, "căutătorul" de exoplanete. Astronomii NASA folosesc diferite telescoape pentru a studia curbele de lumină şi a înţelege dacă orice diminuare notabilă a luminii reprezintă o potenţială exoplanetă care se deplasează prin faţa stelei sale gazdă. Aceasta este o problemă dificilă de căutare într-un volum foarte mare de date, una în care teoretic D-Wave ar putea ajuta.

„Acestea sunt tipurile de aplicaţii pe care încercăm să le realizăm", spune Biswas. „Vrem să utilizăm în acest sens sistemul nostru D-Wave, care este cel mai puternic din lume, dar el nu este încă suficient de puternic pentru a rezolva problemele cu adevărat dificile din lumea reală. Dar învăţând cum se rezolvă problemele mai uşoare, prin extrapolare putem afla cum s-ar putea rezolva problemele mai dificile pe un sistem mai puternic".


Problemele mai complexe

În consecinţă, l-am rugat pe Biswas să ne descrie unele dintre aceste probleme mai complexe şi tipurile de sarcini pe care un calculator cuantic mai puternic le-ar putea teoretic rezolva în viitor.

Un domeniu de interes, spune Biswas, îl reprezintă datele ştiinţifice despre Pământ ale NASA. Se justifică această preocupare a noastră deoarece acestea reprezintă cel mai mare depozit mondial al diferitelor tipuri de date observaţionale.

„Dar fiecare dintre aceste imagini poate fi realizată pentru o anumită lungime de undă şi nu se pot obţine toate informaţiile dintr-o singură imagine", explică el. „Una dintre provocările noastre este ceea ce se numeşte fuziunea datelor, prin care se încearcă ca din mai multe imagini, printr-un procedeu de fuziune inteligentă a acestora, să se poată obţine o singură imagine de unde să extragem informaţiile dorite care nu au putut fi obţinute de la o singură imagine".

Dar modul prin care calculatorul poate fuziona aceste imagini şi cum va arăta imaginea finală obţinută este o altă problemă dificilă cu care se confruntă cercetătorii.

NASA este, de asemenea, puternic implicată în dezvoltarea următoarei generaţii de sisteme de control al traficului aerian. Acestea se vor ocupa nu doar de zborurile comerciale, dar şi de cele de marfă şi cele fără pilot. Şi aceasta reprezintă o altă problemă greu de optimizat. În prezent, o mare parte din această activitate se desfăşoară în mod centralizat în cadrul centrelor de control al traficului aerian. Dar într-o etapă viitoare, atunci când va fi necesar un control mai distribuit şi atunci când se vor lua în considerare variabile foarte complexe cum ar fi condiţiile meteo, un sistem de optimizare ar putea ajuta cu siguranţă.

„Aceste computere ar putea fi, de asemenea, utile dacă am avea mai multe rovere pe Marte sau pe alte planete", a adăugat el. „Dacă am dori să gestionăm modul în care toate aceste rovere se coordonează între ele, atunci acesta ar putea fi un alt bun exemplu în care ne putem ajuta de computerele cuantice.

Biswas spune că aceste sisteme ar putea ajuta, de asemenea, la explorarea de către rovere a diferite tipuri de roci sau chiar a unor noi medii înconjurătoare. Interesant, calculatoarele cuantice ar putea fi folosite, de asemenea, pentru a dezvolta algoritmi de învăţare, astfel încât ele să poată avea un rol important în dezvoltarea inteligenţei artificiale.

În cadrul Ames Research Center al NASA din Silicon Valley, echipa lui Biswas utilizează supercomputere în cadrul eforturilor NASA de sprijinire atât a programelor publice, cât şi a celor comerciale.

„Noi considerăm calculul cuantic ca fiind o extensie naturală a eforturilor noastre în ceea ce priveşte dezvoltarea supercomputerelor", mi-a spus el. „De fapt, noi credem că sistemul D-Wave şi alte computere cuantice care ar apare în următorii câţiva ani ar putea să se comporte ca nişte procesoare ataşate la computerele obişnuite pe bază de siliciu".

Este uimitor. Rezultă de aici că în viitor, atunci când un utilizator va dori să rezolve o problemă care necesită un volum mare de calcul, el va interacţiona cu computerul său obişnuit în timp ce anumite sarcini ar fi transferate calculatorului cuantic. După efectuarea calculului, cum ar fi o problemă de optimizare, acesta ar trimite soluţia înapoi la calculatorul clasic pe bază de siliciu. Este ca şi cum am adăuga steroizi la un calculator obişnuit.

Calculatorul cuantic nu este un sistem universal

Am vorbit, de asemenea, cu Biswas despre sistemul D-Wave în sine şi despre modul în care acesta funcţionează.

D-Wave

Exteriorul calculatorul cuantic D-Wave Two aflat în cadrul NAS. Credit imagine: NASA Ames/Nick Bonifas


„Ca să fie clar, sistemul D-Wave reprezintă doar unul dintre modurile prin care putem utiliza efectele din fizica cuantică", mi-a spus el. „Dar pentru a utiliza orice sistem cuantic, primul lucru pe care trebuie să-l avem este o problemă reprezentată într-o formă QUBO".

O formă QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) este o reprezentare matematică a oricărei probleme de optimizare care trebuie să fie rezolvată. În acest moment, după cum ştim, orice calculator cuantic impune ca datele de intrare să fie într-o formă QUBO.

„Şi aceasta este o problemă serioasă", spune Biswas, „pentru că nu există nicio metodă unică pentru a concepe şi a reprezenta problema într-o formă QUBO. Dar, odată ce vom obţine o formă QUBO, care este o reprezentare grafică a problemei, o putem încorpora pe aceasta în arhitectura maşinii D-Wave".

Procesoarele lui D-Wave utilizează 512 qubiţi care sunt alcătuiţi din 64 celule elementare. Fiecare celulă elementară este formată din 8 qubiţi. Şi fiecare qubit este alcătuit dintr-un grafic bipartit, astfel încât există patru qubiţi pe partea stângă şi patru qubiţi pe dreapta. Fiecare dintre cei patru qubiţi din stânga sunt conectaţi la cei de pe partea dreaptă şi viceversa. Dar acesta nu este un grafic complet conectat.

„Prin urmare, ceea ce se întâmplă este că după ce aveţi problema de rezolvat într-o formă QUBO şi încercaţi să o incorporaţi în D-Wave, veţi constata că acesta nu este un computer cuantic universal. Nu este ca şi cum aţi avea o tastatură de calculator prin care să-i spuneţi acestuia ce să facă".

În esenţă, maşina devine dedicată unei anume sarcini corespunzătoare formei QUBO, aceasta fiind o limitare care ar putea avea un impact important asupra scalabilităţii (n.t. caracteristică prin care se pot adăuga sistemului funcţionalităţi noi fără să fie nevoie să se schimbe toată structura acestuia) calculatorului cuantic.

„De asemenea, căutăm să rezolvăm problema scalabilităţii sistemului, încercând să aflăm dacă aceleaşi concepte s-ar putea aplica unui sistem mai mare", a adăugat el.

Biswas a declarat că NASA doreşte să obţină peste aproximativ un an un sistem de 2.048 qubiţi plecând de la D-Wave. În acest fel se va putea vedea cât este de scalabil sistemul cu adevărat.



Traducere de Cristian-George Podariu după what-will-nasa-be-doing-with-its-new-quantum-computer.


Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!