Сегодня компания, занимающаяся квантовыми вычислениями, D-Wave объявляет о доступности своего квантового отжигателя нового поколения, специализированного процессора, который использует квантовые эффекты для решения задач оптимизации и минимизации. Само оборудование не вызывает особого удивления – D-Wave обсуждала его детали несколько месяцев назад, – но D-Wave говорила с Ars о проблемах создания микросхемы с более чем миллионом отдельных квантовых устройств. И компания увязывает выпуск оборудования с доступностью нового программного стека, который работает как промежуточное ПО между квантовым оборудованием и классическими компьютерами.
Квантовый отжиг
Квантовые компьютеры, создаваемые такими компаниями, как Google и IBM, являются машинами общего назначения на основе шлюзов. Они могут решить любую проблему и должны показать огромное ускорение для определенных классов задач – или они это сделают, как только число ворот станет достаточно большим. Прямо сейчас эти квантовые компьютеры ограничены несколькими десятками вентилей и не имеют коррекции ошибок. Доведение их до необходимого масштаба представляет собой ряд сложных технических задач.
Аппарат D-Wave не является универсальным; Технически это квантовый отжигатель, а не квантовый компьютер. Он выполняет вычисления, которые находят низкоэнергетические состояния для различных конфигураций аппаратных квантовых устройств. Таким образом, он будет работать только в том случае, если вычислительная проблема может быть преобразована в проблему минимизации энергии в одной из возможных конфигураций чипа. Это не так ограничительно, как может показаться, поскольку многие формы оптимизации могут быть преобразованы в проблему минимизации энергии, включая такие вещи, как сложные задачи планирования и структуры белков.
Проще всего думать об этих конфигурациях как о ландшафте с серией пиков и долин, при этом решение проблемы эквивалентно поиску пейзажа в поисках самой нижней долины. Чем больше квантовых устройств установлено на микросхеме D-Wave, тем более тщательно он может отследить ландшафт. Поэтому увеличение количества кубитов абсолютно необходимо для использования квантового отжигателя.
Эта идея хорошо сочетается с оборудованием D-Wave, поскольку гораздо проще добавлять кубиты в квантовый отжигатель; в текущем предложении компании их 2 000. Еще есть вопрос отказоустойчивости. В то время как ошибки в квантовом компьютере на основе вентилей обычно приводят к бесполезному результату, сбои в машине D-Wave обычно означают, что ответ, который он возвращает, будет низкоэнергетическим, но не самым низким. И для многих проблем достаточно оптимизированного решения.
Менее ясно, предлагает ли этот подход явные преимущества перед алгоритмами, работающими на классических компьютерах. Для квантовых компьютеров на основе вентилей исследователи уже разработали математику, чтобы показать потенциал квантового превосходства. Это не относится к квантовому отжигу. За последние несколько лет было несколько случаев, когда оборудование D-Wave показывало явное преимущество перед классическими компьютерами, только чтобы увидеть, как сочетание алгоритмов и улучшений оборудования на классической стороне стирает разницу.
Через поколения
D-Wave надеется, что новая система, которую она называет «Преимущество», сможет продемонстрировать явную разницу в производительности. До сегодняшнего дня D-Wave предлагала квантовый оптимизатор на 2000 кубитов. Система Advantage масштабирует это число до 5000. Не менее важно то, что эти кубиты связаны дополнительными способами. Как упоминалось выше, задачи структурированы как определенная конфигурация соединений между кубитами машины. Если прямая связь между любыми двумя недоступна, некоторые кубиты должны использоваться для установления связи и, следовательно, недоступны для решения проблем.
Машина на 2000 кубитов имела в общей сложности 6000 возможных соединений между своими кубитами, в среднем по три для каждого из них. Новая машина увеличивает это количество до 35000, в среднем до семи подключений на кубит. Очевидно, это позволяет настраивать гораздо больше задач без использования кубитов для установления соединений. Официальный документ, предоставленный D-Wave, указывает на то, что он работает так, как ожидалось: более крупные проблемы подходят для оборудования, и меньшее количество кубитов необходимо использовать в качестве мостов для соединения других кубитов.
Каждый кубит на микросхеме имеет форму петли из сверхпроводящего провода, называемой джозефсоновским переходом. Но на микросхеме гораздо больше, чем 5000 джозефсоновских переходов. «Львиная доля тех, кто задействован в сверхпроводящих схемах управления», – сказал Ars руководитель процессора D-Wave Марк Джонсон. «По сути, они похожи на цифро-аналоговые преобразователи с памятью, которую мы можем использовать для программирования конкретной задачи».
Чтобы получить необходимый уровень контроля, новый чип имеет в общей сложности более миллиона джозефсоновских переходов. «Давайте посмотрим на это в перспективе, – сказал Джонсон. «В моем iPhone есть процессор, на котором установлены миллиарды транзисторов. Так что в этом смысле это не так много. Но если вы знакомы с технологией сверхпроводящих интегральных схем, это далеко не все». Для соединения всего потребовалось более 100 метров сверхпроводящего провода – все на микросхеме размером примерно с миниатюру.
Хотя все это делается с использованием стандартных инструментов для изготовления на кремнии, это просто удобная подложка – на кристалле нет полупроводниковых устройств. Джонсон не смог вдаваться в подробности процесса производства, но он был готов рассказать о том, как эти чипы производятся в более общем плане.
Это не TSMC
Одно из больших отличий этого процесса от стандартного производства чипов – это объем. Большинство микросхем D-Wave размещено на собственном предприятии, и клиенты получают доступ к ним через облачный сервис; только некоторые из них куплены и установлены в другом месте. Это означает, что компании не нужно производить очень много микросхем.
Когда его спросили, сколько из них получается, Джонсон рассмеялся и сказал: «Я собираюсь закончить дело того парня, который предсказал, что в этом мире никогда не будет больше пяти компьютеров», прежде чем продолжить: «Я думаю, мы можем удовлетворить наши бизнес-цели, используя порядка дюжины из них или меньше ».
Если бы компания производила стандартные полупроводниковые устройства, это означало бы сделать одну пластину и закрыть ее в день. Но D-Wave считает, что прогресс достиг точки, когда с каждой пластины снимается одно полезное устройство. «Мы постоянно выходим за пределы зоны комфорта, которая может быть у вас в TSMC или Intel, где вы ищете, сколько девяток я могу получить за свой доход», – сказал Джонсон Ars. «Если у нас такая высокая урожайность, мы, вероятно, недостаточно стараемся».
Многие из них были предприняты в годы, предшествовавшие созданию этого нового процессора. Джонсон сказал Ars, что более высокие уровни связи требуют новой технологии процесса. “[It’s] «Мы впервые за 10 лет внесли существенные изменения в технологический узел», – сказал он Ars. «Наш заводской разрез намного сложнее. В нем больше материалов, больше слоев, больше типов устройств и больше шагов “.
Помимо сложности создания самого устройства, тот факт, что оно работает при температурах в диапазоне милли-Кельвина, также усложняет конструкторские проблемы. Как заметил Джонсон, каждый провод, идущий к микросхеме из внешнего мира, является потенциальным проводником тепла, который необходимо минимизировать – опять же, проблема, с которой не сталкиваются большинство производителей микросхем.
