Kvantový počítač se utkal s dnešními procesory. Zvítězil?

Karel Javůrek  |  Technika

S kvantovými počítači přijdou neuvěřitelně rychlé výpočty těch nejnáročnějších problémů. Úlohy ale zatím musí být šité na míru.

V roce 2011 se objevil první komerčně prodávaný kvantový počítač od společnosti D-Wave, který je označován jako D-Wave One. Zatímco v roce 2003 měli vědci k dispozici pouze qubitový procesor a v roce 2007 už 16qubitový, tento D-Wave One měl už 128quibitový čip. Vzhledem k omezeným možnostem výpočtů se mu ale nakonec říkalo raději kvantový optimalizátor. Jeho architektura není určená pro obecné výpočty, jako je známe z běžných počítačů.

Pokrok v oblasti kvantových výpočtů jde ale velmi rychle dopředu. Dokonce rychleji, než je to v případě klasických čipů podléhajících Moorovu zákonu.

Jak vypadá architektura qubitového čipu od D-Wave?

Tisíckrát více qubitů za deset let

U klasických křemíkových čipů, pevných disků nebo pamětí jsme zvyklí na Moorův zákon. Popisuje rychlost technologického vývoje, kdy se každých 18 až 24 měsíců zdvojnásobí počet tranzistorů.

Moorovu zákonu tak odpovídá dostupný výpočetní výkon i v rámci jednoho superpočítače, který je nyní už přibližně každých deset až jedenáct let tisícinásobný. Více jsme se na to zaměřili v článku Výpočetní výkon: od mozku až k superpočítačům.

V případě kvantových čipů založených na kvantovém žíhání se ale počet quibitů, které jsou dostupné v rámci jednoho čipu, zdvojnásobí každý rok.

Historický růst počtu quibitů ukazuje následující video:

Doposud se však neobjevily podrobnější údaje o tom, jakým výkonem takový kvantový čip disponuje. Zda je skutečně efektivnější a výkonnější než klasické čipy, nad kterými běží potřebný software. Až nyní.

Zatím specifické úlohy s pravděpodobnostními výsledky

Kvantové čipy jsou určeny především pro výpočet nejnáročnějších problémů a úloh, se kterými si klasické čipy a software poradí jen velmi těžko. Ze všech můžeme vybrat například ukázkový problém obchodního cestujícího, kdy je nutné spočítat optimální cestu pro návštěvu míst na mapě. U menšího počtu to není takový problém, ale náročnost na výpočet se extrémně rychle zvyšuje, byť počet měst zvýšíme třeba jen dvojnásobně.

Aby bylo možné plně využít možnosti čipu v kvantovém optimalizátoru od D-Wave, je nutné sadu dat a algoritmů výrazně specifikovat. Pravděpodobnostní výsledky jsou potřebné například pro strojové učení (umělá inteligence) a tvorbu samotných algoritmů. Proto se nelze ani divit, že nedávno jeden model koupil i Google, který ho může použít i na zlepšení algoritmů pro indexaci dat a další oblasti.

Sedm čtyřjádrových Xeonů proti 512qubitovému kvantovému čipu

O srovnání výkonu se pokusili vědci Catherine C. McGeoch a Cong Wang a zveřejnili i podrobnosti ve své práci Experimental Evaluation of an Adiabiatic Quantum System for Combinatorial Optimization (PDF).

V rámci několika náročných úloh proti sobě postavili:

  • kvantový optimalizátor od D-Wave s 442qubitovým čipem (V5, Vesuvius), který měl však pouze 439 funkčních qubitů a
  • sedm pracovních stanic Lenovo D20 se čtyřjádrovými procesory Xeon X5550 na frekvenci 1,6 GHz a 16 GB operační paměti.

Samotný kvantový optimalizátor disponuje také vlastním počítačem se dvěma čtyřjádrovými Xeony, který se stará se o propojení a zpracování dat z kvantového čipu.

Zatímco u některých úloh byl klasický počítač složený z Xeonů a běžného testovacího softwaru s operačním systémem Linux i pětkrát rychlejší, kvantový zase našel více dobrých řešení. Jakmile ale došlo na úlohu (QUBO – Quadratic Unconstrained Binary Optimization), která použitému 439qubitovému čipu (n = 439) sedla na míru, výsledky byly spočítány 3 600 rychleji než na zmíněné počítačové sestavě.

Vědci se v závěru testování dostali k novější verzi čipu (V6), který měl 503 funkčních qubitů a ukázal se ještě třikrát až pětkrát výkonnější. Optimální řešení úlohy dokázal vyřešit 10 000 rychleji než konkurenční výkonné počítače. Pro představu: tam kde sedm čtyřjádrových Xeonů potřebovalo na výpočet30 minut, kvantovému čipu stačily stovky milisekund.

512qubitový čip kvantového optimalizátoru D-Wave Two. Některé qubity jsou ale vadné, testovaný model měl funkčních pouze 503 quibitů. Zdroj: D-Wave

Jakmile úlohu počítá přímo hardware a vstupní parametry jsou dobře nastaveny na využití všech dostupných qubitů, výkon je doslova o století dále než u klasických počítačů. V rámci superpočítačů sice disponujeme vyšším a navíc univerzálním výkonem, ale musíme si uvědomit, že v tomto případě jde o jeden velmi malý čip a nikoli obří datacentrum.

Zatím stále na počátku

Výzkum upozorňuje, že v případě tohoto čipu a jeho reálného použití v praxi je nutné ještě dále zkoumat konkrétní vliv a nastavení samotných úloh. Tyto hrátky a čipy jsou stále na počátku nové éry, která bude znamenat obrovský skok pro náročné úlohy vedoucí k pravděpodobnostním výsledkům a tedy i zkoumání samotných kvantových jevů.

Dnes máme k dispozici 512qubitový čip v rámci D-Wave Two, do příštího roku bychom se měli dočkat prvního 1024qubitového čipu. Vše je složeno z menších částí, takže škálování je jednodušší. Dle technologických výhledů by pak kvantový čip v roce 2023 měl mít milion qubitů. Samozřejmě jen v případě, pokud se nezmění architektura čipu, podobně jako se to několikrát stalo při vývoji dnešních procesorů.

Podívejte se na video z továrny na výrobu kvantových počítačů:

Nejčtenější