Domande e risposte: Geordie Rose di D-Wave

Il 13 febbraio, D-Wave Systems, una startup con sede a Burnaby, nella British Columbia, ha affermato di aver dimostrato il primo computer quantistico commerciale al mondo.

Freddezza quantistica: Il processore a 16 qubit di Orion è mostrato nell'immagine in alto. Utilizza un metallo superconduttore chiamato niobio. Quando vengono raffreddati a 5 millikelvin, o 0,005 gradi sopra lo zero assoluto, gli elettroni nel superconduttore al niobio formano particelle chiamate coppie di Cooper, che possono occupare lo stesso stato quantistico. Un frigorifero a diluizione Leiden Cryogenics (immagine in basso) viene utilizzato per raffreddare il chip Orion al punto che gli elettroni nel suo semiconduttore al niobio entrano in uno stato quantico.

Al Computer History Museum di Mountain View, CA, Geordie Rose, fondatrice e chief technology officer dell'azienda, ha mostrato come il computer Orion potrebbe cercare una proteina in un database e trovare la corrispondenza più vicina, scoprire la disposizione ottimale dei posti a sedere per gli ospiti a un ricevimento di nozze e risolvi un sudoku.

Il calcolo quantistico, proposto per la prima volta dai fisici Paul Benioff e Richard Feynman nei primi anni '80, funziona sfruttando le strane ambiguità della meccanica quantistica. Secondo le leggi della meccanica quantistica, lo stato di una particella come un elettrone può essere indeciso: potrebbe essere acceso o spento, ruotando verso l'alto o verso il basso.

In un computer quantistico, ogni bit quantistico di informazione, o qubit, può quindi essere non fissato, una semplice probabilità; questo a sua volta significa che in qualche modo misterioso, un qubit può avere il valore di uno o zero contemporaneamente, un fenomeno chiamato sovrapposizione. Due qubit possono quindi rappresentare quattro valori diversi (00, 01, 10 e 11 in notazione binaria); quattro qubit possono rappresentare sedici valori; e così via. In teoria, un computer quantistico potrebbe risolvere in meno di un minuto problemi che un computer classico impiegherebbe millenni per risolvere.

Ad oggi, la maggior parte dei computer quantistici sono stati esperimenti scientifici più o meno riusciti. Nessuno ha sfruttato più di 12 qubit e i problemi che le macchine hanno risolto sono stati banali. I computer quantistici sono stati macchine complicate e pignoli, che impiegavano laser delicati, pompe per vuoto e altri macchinari esotici per guidare i loro qubit.

D-Wave (che ha raccolto 44 milioni di dollari da investitori come la società di venture capital Draper Fisher Jurvetson) afferma di essere riuscita a costruire un pratico computer quantistico utilizzando un design semplice, derivato da tecnologie già utilizzate per realizzare chip per computer standard. L'azienda descrive l'Orion come un computer quantistico adiabatico da 16 qubit, costruito attorno a un chip costituito da un metallo chiamato niobio che, quando sufficientemente freddo, diventa un superconduttore. Raffreddati in un bagno di elio liquido a quasi -273 ºC, gli elettroni nel superconduttore al niobio formano particelle chiamate coppie di Cooper, che possono occupare lo stesso stato quantistico, consentendo così a Orion di calcolare algoritmi quantistici.

Herb Martin, amministratore delegato di D-Wave, afferma che questo design semplice consentirà all'Orion di passare a una macchina da 512 qubit entro la fine dell'anno e a un computer da 1.024 qubit entro la metà del 2008.

Ma gli scienziati informatici specializzati nell'informatica quantistica sono stati profondamente scettici nei confronti della dimostrazione di D-Wave. D-Wave non ha fornito alcuna prova a sostegno delle sue affermazioni: ha rilasciato solo i dettagli più approssimativi sul funzionamento interno di Orion. Ciò che gli informatici sanno non li impressiona.

Scott Aaronson, informatico teorico presso l'Institute for Quantum Computing di Waterloo, in Ontario, e autore di un blog molto letto chiamato Ottimizzato per Shtetl , iniziarono le obloquie quando denunciò l'Orione per essere utile a risolvere i problemi quanto un panino al roast-beef.

Delle affermazioni di Geordie Rose di aver costruito il primo computer quantistico pratico, Aaronson ha scritto in una e-mail, Qualunque altra cosa D-Wave potrebbe o non potrebbe aver fatto, questo può essere immediatamente respinto come clamore. Se per 'pratico' intende in grado di risolvere problemi pratici più velocemente dei computer classici esistenti, allora questo è chiaramente falso. Se intende essere in grado di risolvere piccoli problemi dimostrativi, è stato battuto da un sacco di persone. Quindi non riesco a pensare a nessuna interpretazione in base alla quale dica la verità.

Il tono scontroso di Aaronson era tipico. Umesh Vazirani, professore di informatica presso l'Università della California, Berkeley, ha affermato: D-Wave sta ingannando il pubblico definendo il suo dispositivo 'un pratico computer quantistico'. , qualcosa che D-Wave non ha realizzato.

Qualcosa risolto i problemi alla dimostrazione, ma potrebbe non essere necessariamente un computer quantistico. In particolare, gli scienziati informatici non sanno quanto bene Orione corregga il crescendo di errori, causato dal rumore termico e dalla decoerenza dei qubit, che è associato a qualsiasi calcolo quantistico. Questi errori devono essere gestiti con attenzione se un computer quantistico deve funzionare. Infatti, secondo tutti gli informatici ai quali Revisione della tecnologia ha parlato, poiché l'Orion può funzionare come un computer analogico piuttosto lento, è possibile che l'Orion non stesse realmente eseguendo operazioni quantistiche quando è stato dimostrato al Computer History Museum.

D-Wave ha davvero implementato un computer quantistico a 16 qubit o i suoi qubit si decoedono così rapidamente da implementare in effetti un algoritmo classico? chiese Vazirani. D-Wave non ha fornito alcuna prova a favore della prima possibilità rispetto alla seconda.

I più generosi scienziati dell'informatica quantistica garantiranno che D-Wave ha fatto una scommessa interessante.

Non ne so molto di affari, ma immagino che il ragionamento alla D-Wave sia qualcosa del genere, ha detto Seth Lloyd, professore di ingegneria meccanica al MIT, che ha proposto il primo progetto tecnologicamente fattibile per un computer quantistico. Supponiamo che le probabilità siano 10 a 1 contro il funzionamento dell'informatica quantistica adiabatica, quindi è probabile che l'impresa fallisca. Ma se ci riesce, allora ripuliranno. È improbabile che ciò che sta facendo D-Wave abbia successo, ma non è donchisciottesco.

Abbiamo chiesto a Geordie Rose di difendere l'Orion dai suoi critici.

Giasone Pontin : Hai davvero dimostrato il primo computer quantistico pratico al mondo?

Geordie Rosa : Sì.

JP : Beh, è ​​schietto. Un computer adiabatico a tolleranza d'errore è davvero un computer quantistico?

GR : Sì.

JP : Questo fa sorgere questa domanda, temo: l'Orion è tollerante agli errori?

GR : Sì.

JP : Veramente?

GR : Se vuoi che approfondisca, posso.

JP : Sarebbe carino.

GR : Ci sono due concetti diversi qui. La tolleranza agli errori riguarda innanzitutto se il processore continuerà a funzionare come è stato progettato in presenza di errori. Nel sistema che abbiamo operato durante la demo, il chip aveva 2 componenti rotti su 56, e la cosa ha funzionato magnificamente in presenza di quei guasti. Quindi l'Orion è assolutamente tollerante agli errori. Non c'è dubbio. Lo abbiamo dimostrato. Ma penso che tu stia davvero chiedendo della decoerenza.

JP : Io sono.

GR : La presenza di rumore in un computer quantistico può causare errori. Se vuoi eseguire un computer quantistico in modo coerente, per essere in grado di fare tutto ciò che un computer quantistico può fare, devi rimuovere attivamente gli errori. Nel nostro approccio, il modello adiabatico, la fisica del dispositivo è molto diversa dai computer quantistici convenzionali come i modelli di gate. Affinché si verifichi un errore nel nostro approccio, è necessario fornire una certa quantità di energia che i fisici chiamano gap energetico. Se il rumore non ha almeno quella quantità di energia, non può fare nulla di male. Quindi, se non fornisci quella quantità di energia, c'è un vuoto naturale che protegge il sistema dal rumore. I computer quantistici adiabatici sono noti per essere molto più resistenti al rumore rispetto ad altri approcci.

JP : Stai davvero affermando che Orion può risolvere problemi NP-completi? [I problemi NP-completi, di cui il più famoso è il problema del commesso viaggiatore, sono i problemi più difficili nella teoria della complessità per i quali una soluzione potrebbe essere verificata in modo efficiente. Molto comuni nella vita reale, sono difficili da risolvere perché la loro soluzione sembra richiedere di considerare ogni permutazione di un insieme di variabili, il che richiede tempo che aumenta esponenzialmente con il numero di variabili. Gli informatici dubitano che i problemi NP-completi possano essere risolti in un ragionevole lasso di tempo. Rose ha suscitato polemiche affermando che l'Orion potrebbe creare soluzioni approssimative che sono abbastanza buone per gli affari.]

GR : Li risolve nel senso che fornisce soluzioni approssimative a cose che sono abbastanza buone nel senso che soddisfano i requisiti dell'utente. Queste classi di problemi sono onnipresenti negli affari. Si sospetta che nessuna macchina, indipendentemente dal tipo, possa risolvere in modo efficiente ed esatto questo tipo di problemi, almeno nel peggiore dei casi. Ma questa è una definizione eccessivamente restrittiva di cosa significhi risolvere. Generalmente, se un'azienda ha uno di questi problemi incorporati nelle sue operazioni quotidiane, utilizza quella che viene chiamata un'euristica per risolverlo, che è un insieme di regole pratiche che fornisce rapidamente buone soluzioni approssimative. La nostra macchina ha come scopo la competizione con quelle euristiche. Non stiamo affermando di poter risolvere esattamente ed efficacemente i problemi del caso peggiore, no, ma noi sono affermando che questa cosa sarà competitiva e alla fine supererà tutti gli approcci convenzionali per risolvere questi insiemi di problemi.

JP : Non sono un matematico, ma ne gioco uno in TV. Che dire del teorema PCP che dice che una soluzione approssimata in questi casi è tanto difficile quanto la soluzione migliore?

GR : Dipende da cosa intendi per approssimativo.

JP : Beh, dimmi cosa? voi intendo per approssimativo. Geordie Rose usa l'approssimazione in un senso speciale che nessun altro usa?

GR : Approssimativo significa qualcosa di specifico in informatica. Non è il modo in cui il termine viene usato convenzionalmente negli affari. Quindi, diciamo che devi ancora scegliere un percorso attraverso un gruppo di città-

JP : Il problema del commesso viaggiatore?

GR : Sì, per esempio. Qualsiasi percorso è una soluzione. Qualsiasi percorso è anche un approssimativo soluzione. Quanto è buona la soluzione approssimativa è in qualche modo la differenza tra quella che hai e la migliore possibile. Quindi, man mano che le soluzioni migliorano, diventano sempre meno approssimative. Quindi, ciò che gli informatici tendono a intendere per approssimazione in questi casi è qualcosa di molto specifico su quanto grande sia l'approssimazione, e tendono a significare qualcosa che è molto vicino all'esatto.

JP : Intendi dire che quando usi approssimazione in questo senso, stai usando la parola come la userebbero gli uomini d'affari e non come la usano gli informatici?

GR : È lo stesso senso che le persone usano oggi quando risolvono questi problemi. Hai bisogno di una soluzione; preferiresti una che sia la migliore soluzione possibile con le risorse che hai a disposizione, e che è per definizione una soluzione di approssimazione. Ti piacerebbe che fosse migliore, ma quelle cose non sono disponibili per te a causa della natura del problema. Quindi questa particolare macchina che abbiamo costruito è progettata per competere con le macchine che offrono quel tipo di soluzioni.

JP : Scott Aaronson ha detto che l'Orion era utile quanto un panino al roast-beef. Ovviamente senti che è offensivo; ma non ammetteresti che il tuo computer non è molto utile poiché risolve i problemi più lentamente di un computer classico?

GR : Lo scopo della demo non era mostrare la superiorità delle prestazioni uno a uno rispetto ai sistemi convenzionali. Lo scopo era quello di fare una prova del concetto di sistema e di eseguire applicazioni commercialmente relative su un computer quantistico, cosa che non è mai stata fatta prima, nemmeno lontanamente. Questo è molto al di sopra dello stato dell'arte. Quindi, in termini di tempo effettivo necessario per risolvere i problemi, Orion così com'è attualmente è circa 100 volte più lento di un PC che esegue i migliori algoritmi. Se fossi un esperto, potresti definire un buon algoritmo sul Web, spendere $ 1.000 su un PC e potresti battere il sistema di un fattore 100. Quindi, in questo senso, Scott ha ragione, anche se non è questo il punto.

JP : Bene, qual è il punto, allora?

GR : Il punto è che la dimostrazione mostra un percorso chiaro da dove siamo oggi al futuro. Quelle macchine future saranno significativamente migliori.

JP : Il piano è dimostrare una macchina da 1.024 qubit nel 2008?

GR : Sì, entro la metà del 2008. Ma prima avremo un sistema online che le persone potranno utilizzare, per il quale potranno programmare applicazioni.

JP : Sembra inverosimilmente rapido. Come lo farai?

GR : Bene, ci sono tre cose che devono essere fatte.

Il primo è che il design che stai utilizzando per il processore, in particolare i sistemi di input-output, deve essere scalabile, non solo in linea di principio ma anche in pratica. La maggior parte delle proposte avanzate per le architetture di calcolo quantistico, di fatto tutte finora, non sono scalabili in questo senso. Nel nostro caso, crediamo di aver trovato un percorso verso una reale scalabilità nell'hardware. La cosa principale che deve essere superata è il problema di come ottenere informazioni all'interno e all'esterno del chip. Pensiamo di aver trovato un modo per aggirare questo problema.

La seconda cosa è come lo costruisci, e questo è un problema di fabbricazione. Parte del motivo per cui abbiamo scelto l'approccio che abbiamo scelto è che i circuiti che stiamo utilizzando come base per queste cose possono essere progettati, costruiti e testati utilizzando procedure standard sui semiconduttori. Quindi non abbiamo bisogno di inventare alcuna nuova tecnologia di fabbricazione se non per far funzionare il processo in primo luogo.

La terza cosa, che è probabilmente la domanda più difficile a cui rispondere, è questa: dato che possiamo costruirlo e inviare informazioni dentro e fuori di esso, continuerà effettivamente a funzionare come un computer quantistico? Questo è un punto a cui semplicemente non possiamo rispondere al momento perché nessuno è stato in grado di modellare sistemi a quel livello con alcuna capacità predittiva. È troppo complicato. Questa è una domanda a cui si può rispondere solo empiricamente. Quindi la nostra filosofia è fare un nuovo processore ogni mese. Diciamo che abbiamo 12 generazioni all'anno, qualcosa sembra non funzionare; possiamo risolverlo attraverso una riprogettazione iterativa.

JP : In che modo il tuo approccio commerciale è diverso da quello dell'accademia?

GR : L'approccio accademico non è necessariamente peggiore del nostro, ma è diverso. Il nostro approccio è quello di lanciare il maggior numero possibile di qubit su un chip, farlo risolvere problemi reali e quindi utilizzare le prestazioni su quei problemi come metrica con cui valutare cosa è meglio e cosa è peggio. Quindi, quando si aumenta la capacità della macchina, si aumenta la capacità della macchina di risolvere problemi più velocemente e problemi più grandi. Rispetto agli approcci accademici, il nostro è veloce e sporco, anche se non credo sia meno attento.

JP : Che tipo di cose potrei fare con un computer quantistico da 1.024 qubit?

GR : Esistono moltissime applicazioni commerciali esistenti che richiedono una soluzione ottimale a un problema con molte variabili. Ad esempio, nella progettazione dei chip, molti dei problemi che hanno a che fare con la verifica della progettazione dell'hardware sono di questo tipo. Ci sono anche molte applicazioni nell'ingegneria finanziaria che le banche d'investimento sono state molto interessate a perseguire con noi: cose come l'ottimizzazione del portafoglio, la riduzione del rischio, la selezione e la determinazione del prezzo dei derivati. Inoltre, ogni singolo problema di programmazione che esiste nel mondo è uno di questi problemi. Puoi immaginare qualcuno come una compagnia aerea o un'organizzazione governativa federale che ha dovuto programmare molte persone in cui ci sono tutti i tipi di problemi su chi lavora dove e chi ha accesso a cosa e perché. Questi problemi creano questi enormi scenari di risoluzione dei conflitti che semplicemente non possono essere gestiti al giorno d'oggi. Sono troppo difficili da risolvere nel periodo di tempo in cui le persone vogliono risolverli. Penso che il modo in cui apparirà in futuro sia che chiunque abbia una programmazione, un percorso, una pianificazione, un'applicazione significativi, tutti questi le applicazioni verranno trasferite sulle nostre macchine, che saranno disponibili online.

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