Vraag en antwoord: Geordie Rose van D-Wave

Op 13 februari beweerde D-Wave Systems, een startup gevestigd in Burnaby, British Columbia, 's werelds eerste commerciële kwantumcomputer te hebben gedemonstreerd.

Kwantumkoude: De 16-qubit-processor van Orion wordt weergegeven in de bovenste afbeelding. Het maakt gebruik van een supergeleidend metaal genaamd niobium. Wanneer ze worden gekoeld tot 5 millikelvin, of 0,005 graden boven het absolute nulpunt, vormen de elektronen in de niobium-supergeleider deeltjes die Cooper-paren worden genoemd en die dezelfde kwantumtoestand kunnen innemen. Een Leiden Cryogenics-verdunningskoelkast (onderste afbeelding) wordt gebruikt om de Orion-chip zo af te koelen dat de elektronen in de niobiumhalfgeleider in een kwantumtoestand komen.

In het Computer History Museum in Mountain View, CA, liet Geordie Rose, de oprichter en chief technology officer van het bedrijf, zien hoe de Orion-computer naar een eiwit in een database kan zoeken en de beste match kan vinden, de optimale stoelopstelling voor de gasten kan ontdekken een huwelijksreceptie en los een Sudoku-puzzel op.

Quantum computing, voor het eerst voorgesteld door de natuurkundigen Paul Benioff en Richard Feynman in het begin van de jaren tachtig, werkt door gebruik te maken van de vreemde dubbelzinnigheden van de kwantummechanica. Volgens de wetten van de kwantummechanica kan de toestand van een deeltje zoals een elektron onbeslist zijn: het kan aan of uit zijn, omhoog of omlaag draaien.

In een kwantumcomputer kan elk kwantumbit aan informatie - of qubit - daarom niet gefixeerd zijn, slechts een waarschijnlijkheid; dit betekent op zijn beurt dat een qubit op een mysterieuze manier tegelijkertijd de waarde één of nul kan hebben, een fenomeen dat superpositie wordt genoemd. Twee qubits kunnen dus vier verschillende waarden vertegenwoordigen (00, 01, 10 en 11 in binaire notatie); vier qubits kunnen zestien waarden vertegenwoordigen; enzovoorts. In theorie zou een kwantumcomputer in minder dan een minuut problemen kunnen oplossen die een klassieke computer millennia zou kosten.

Tot op heden zijn de meeste kwantumcomputers min of meer succesvolle wetenschappelijke experimenten geweest. Geen van hen heeft meer dan 12 qubits gebruikt en de problemen die de machines hebben opgelost, zijn triviaal. Kwantumcomputers zijn ingewikkelde, kieskeurige machines geweest, die delicate lasers, vacuümpompen en andere exotische machines gebruikten om hun qubits te onderhouden.

D-Wave (dat $ 44 miljoen heeft opgehaald van investeerders zoals durfkapitaalfirma Draper Fisher Jurvetson) beweert dat het erin is geslaagd een praktische kwantumcomputer te bouwen door een eenvoudig ontwerp te gebruiken, afgeleid van technologieën die al worden gebruikt om standaard computerchips te maken. Het bedrijf beschrijft de Orion als een adiabatische kwantumcomputer van 16 qubit, gebouwd rond een chip gemaakt van een metaal genaamd niobium dat, wanneer het voldoende koud is, een supergeleider wordt. Gekoeld in een bad van vloeibaar helium tot bijna -273 C, vormen de elektronen in de niobium-supergeleider deeltjes die Cooper-paren worden genoemd, die dezelfde kwantumtoestand kunnen bezetten, waardoor de Orion kwantumalgoritmen kan berekenen.

Herb Martin, de directeur van D-Wave, zegt dat dit ongecompliceerde ontwerp de Orion in staat zal stellen om later dit jaar op te schalen naar een machine van 512 qubit en medio 2008 tot een computer van 1024 qubit.

Maar computerwetenschappers die gespecialiseerd zijn in kwantumcomputing waren diep sceptisch over de demonstratie van D-Wave. D-Wave heeft geen bewijs geleverd om zijn beweringen te staven: het heeft alleen de meest schetsmatige details over de innerlijke werking van Orion vrijgegeven. Wat computerwetenschappers wel weten, maakt geen indruk op hen.

Scott Aaronson, een theoretische computerwetenschapper aan het Institute for Quantum Computing in Waterloo, Ontario, en de auteur van een veelgelezen blog genaamd Shtetl-geoptimaliseerd , begon de uitbarsting toen hij de Orion aan de kaak stelde omdat hij net zo nuttig was bij het oplossen van problemen als een broodje rosbief.

Over de beweringen van Geordie Rose dat hij de eerste praktische kwantumcomputer had gebouwd, schreef Aaronson in een e-mail: Wat D-Wave ook al dan niet heeft gedaan, dit kan meteen worden afgewezen als een hype. Als hij met 'praktisch' bedoelt in staat om praktische problemen sneller op te lossen dan bestaande klassieke computers, dan is dit duidelijk onjuist. Als hij bedoelt dat hij kleine demonstratieproblemen kan oplossen, is hij door heel veel mensen geslagen. Dus ik kan geen enkele interpretatie bedenken waaronder hij de waarheid spreekt.

Aaronsons norse toon was typerend. Umesh Vazirani, een professor in computerwetenschappen aan de University of California, Berkeley, zei: D-Wave misleidt het publiek door hun apparaat 'een praktische kwantumcomputer' te noemen. Het hele punt van kwantumcomputing is het bereiken van een grote versnelling ten opzichte van klassieke computers , iets dat D-Wave niet heeft bereikt.

Iets loste de problemen bij de demonstratie op, maar het hoeft niet per se een kwantumcomputer te zijn. In het bijzonder weten computerwetenschappers niet hoe goed de Orion corrigeert voor het crescendo van fouten, veroorzaakt door thermische ruis en de decoherentie van qubits, die gepaard gaan met een kwantumberekening. Deze fouten moeten zorgvuldig worden beheerd als een kwantumcomputer moet werken. Inderdaad, volgens alle computerwetenschappers aan wie? Technologie beoordeling sprak, omdat de Orion kan functioneren als een nogal trage analoge computer, is het mogelijk dat de Orion helemaal geen kwantumbewerkingen uitvoerde toen hij werd gedemonstreerd in het Computer History Museum.

Heeft D-Wave echt een kwantumcomputer van 16 qubits geïmplementeerd, of decoheren hun qubits zo snel dat ze in feite een klassiek algoritme implementeren? vroeg Vazirani. D-Wave heeft geen enkel bewijs geleverd om de eerste mogelijkheid boven de tweede te verkiezen.

De meest genereuze quantumcomputerwetenschappers zullen toegeven dat D-Wave een interessante gok heeft gemaakt.

Ik weet niet veel over zaken, maar ik stel me voor dat de redenering bij D-Wave ongeveer als volgt is, zei Seth Lloyd, een professor in werktuigbouwkunde aan het MIT, die het eerste technologisch haalbare ontwerp voor een kwantumcomputer voorstelde. Stel dat de kans 10 tegen 1 is dat adiabatische kwantumcomputing werkt, dus de onderneming zal waarschijnlijk mislukken. Maar als het lukt, gaan ze opruimen. Wat D-Wave doet, zal waarschijnlijk niet slagen, maar het is niet idioot.

We hebben Geordie Rose gevraagd om de Orion te verdedigen tegen zijn critici.

Jason Pontin : Heeft u 's werelds eerste praktische kwantumcomputer gedemonstreerd?

Geordie Roos : Ja.

JP : Nou, dat is bot. Is een echt fouttolerante, adiabatische computer een kwantumcomputer?

GR : Ja.

JP : Dat roept deze vraag op, vrees ik: is de Orion fouttolerant?

GR : Jawel.

JP : Werkelijk?

GR : Als je wilt dat ik het nader toelicht, kan ik dat.

JP : Dat zou fijn zijn.

GR : Er zijn hier twee verschillende concepten. Fouttolerantie gaat in de eerste plaats over de vraag of de processor zal blijven functioneren zoals deze is ontworpen in de aanwezigheid van fouten. In het systeem dat we tijdens de demo gebruikten, had de chip 2 kapotte componenten van de 56, en het ding werkte prachtig in aanwezigheid van die fouten. Dus de Orion is absoluut fouttolerant. Er is geen vraag. Dat hebben we aangetoond. Maar ik denk dat je echt vraagt ​​naar decoherentie.

JP : Ik ben.

GR : De aanwezigheid van ruis in een kwantumcomputer kan fouten veroorzaken. Als je een kwantumcomputer coherent wilt laten draaien, om alles te kunnen doen wat een kwantumcomputer mogelijk kan doen, moet je actief fouten verwijderen. In onze benadering, het adiabatische model, verschilt de fysica van het apparaat behoorlijk van conventionele kwantumcomputers zoals poortmodellen. Om in onze benadering een fout te laten optreden, moet je een bepaalde hoeveelheid energie leveren die natuurkundigen een energiekloof noemen. Als het geluid niet ten minste die hoeveelheid energie heeft, kan het niets slechts doen. Dus als u die hoeveelheid energie niet levert, is er een natuurlijke opening die het systeem tegen ruis beschermt. Van adiabatische kwantumcomputers is bekend dat ze veel robuuster zijn tegen ruis dan andere benaderingen.

JP : Beweer je echt dat de Orion NP-complete problemen kan oplossen? [NP-volledige problemen, waarvan het meest bekende het handelsreizigersprobleem is, zijn de moeilijkste problemen in de complexiteitstheorie waarvoor een oplossing efficiënt kan worden geverifieerd. Ze komen veel voor in het echte leven en zijn moeilijk op te lossen omdat voor hun oplossing elke permutatie van een reeks variabelen in overweging moet worden genomen, wat tijd kost die exponentieel toeneemt met het aantal variabelen. Computerwetenschappers betwijfelen of NP-complete problemen binnen een redelijke tijd kunnen worden opgelost. Rose heeft controverse veroorzaakt door te beweren dat de Orion benaderingsoplossingen zou kunnen creëren die goed genoeg zijn voor het bedrijfsleven.]

GR : Het lost ze op in de zin dat het benaderingsoplossingen biedt voor dingen die goed genoeg zijn in de zin dat ze voldoen aan de eisen van de gebruiker. Deze soorten problemen zijn alomtegenwoordig in het bedrijfsleven. Het vermoeden bestaat dat geen enkele machine, ongeacht de soort, dit soort problemen efficiënt en precies kan oplossen, althans in het ergste geval. Maar dat is een te restrictieve definitie van wat oplossen betekent. Als een bedrijf een van deze problemen heeft ingebed in zijn dagelijkse activiteiten, gebruikt het over het algemeen een zogenaamde heuristiek om het op te lossen, wat een reeks vuistregels is die snel goede benaderingsoplossingen bieden. Onze machine heeft als doel concurrentie met die heuristieken. We beweren niet dat we de worst-case problemen precies en efficiënt kunnen oplossen, nee, maar we zijn beweren dat dit ding competitief zal zijn en uiteindelijk alle conventionele benaderingen zal overtreffen bij het oplossen van deze reeks problemen.

JP : Ik ben geen wiskundige, maar ik speel er wel een op tv. Hoe zit het met de PCP-stelling die zegt dat een benaderende oplossing in deze gevallen net zo moeilijk is als de beste oplossing?

GR : Het hangt ervan af wat je bedoelt met bij benadering.

JP : Nou, vertel me wat? Jij bij benadering bedoelen. Gebruikt Geordie Rose bij benadering in een speciale betekenis die niemand anders gebruikt?

GR : Benaderend betekent iets specifieks in de informatica. Het is niet de manier waarop de term conventioneel wordt gebruikt in het bedrijfsleven. Dus stel dat je nog een route door een aantal steden moet kiezen-

JP : Het handelsreizigersprobleem?

GR : Ja, bijvoorbeeld. Elke route is een oplossing. Elke route is ook een bij benadering oplossing. Hoe goed de geschatte oplossing is, is op de een of andere manier het verschil tussen degene die je hebt en de best mogelijke. Dus naarmate de oplossingen beter en beter worden, worden ze steeds minder bij benadering. Dus wat computerwetenschappers in deze gevallen meestal met benaderend bedoelen, is iets heel specifieks over hoe groot de benadering is, en ze hebben de neiging om iets te bedoelen dat heel dicht bij exact is.

JP : Bedoelt u dat wanneer u in deze zin bij benadering gebruikt, u het woord gebruikt zoals zakenmensen het zouden gebruiken, en niet zoals computerwetenschappers het gebruiken?

GR : Het is hetzelfde gevoel dat mensen tegenwoordig gebruiken bij het oplossen van deze problemen. Je hebt een oplossing nodig; je zou er de voorkeur aan geven dat de best mogelijke oplossing is met de middelen die je tot je beschikking hebt, en dat is per definitie een benaderingsoplossing. Je zou willen dat het beter was, maar die dingen zijn niet beschikbaar voor jou vanwege de aard van het probleem. Dus deze specifieke machine die we hebben gebouwd, is ontworpen om te concurreren met de machines die dit soort oplossingen bieden.

JP : Scott Aaronson zei dat de Orion net zo nuttig was als een broodje rosbief. Dat vind je duidelijk beledigend; maar zou je niet toegeven dat je computer niet erg handig is omdat hij problemen langzamer oplost dan een klassieke computer?

GR : Het doel van de demo was niet om een-op-een superieure prestaties te tonen ten opzichte van conventionele systemen. Het doel ervan was om een ​​systeemproof of concept te doen en om commercieel relatieve toepassingen op een kwantumcomputer uit te voeren, wat nog nooit eerder is gedaan - zelfs niet in de buurt. Dit is ver boven de stand van de techniek. Dus in termen van de werkelijke tijd die nodig is om problemen op te lossen, is Orion zoals het er nu uitziet ongeveer 100 keer langzamer dan een pc met de beste algoritmen. Als je een expert was, zou je een goed algoritme op het web kunnen definiëren, $ 1.000 uitgeven aan een pc, en je zou het systeem met een factor 100 kunnen verslaan. Dus in die zin heeft Scott gelijk, hoewel dat eigenlijk niet het punt is.

JP : Nou, wat heeft het dan voor zin?

GR : Het punt is dat de demonstratie een duidelijk pad laat zien van waar we nu zijn naar de toekomst. Die toekomstige machines zullen aanzienlijk beter zijn.

JP : Het plan is om in 2008 een machine van 1024 qubit te demonstreren?

GR : Ja, medio 2008. Maar daarvoor hebben we een online systeem dat mensen kunnen gebruiken, waarvoor ze applicaties kunnen programmeren.

JP : Dat lijkt ongeloofwaardig snel. Hoe ga je het doen?

GR : Nou, er zijn drie dingen die gedaan moeten worden.

De eerste is dat het ontwerp dat je voor de processor gebruikt, met name de input-outputsystemen, schaalbaar moet zijn, niet alleen in principe maar ook in de praktijk. De meeste voorstellen die zijn gedaan voor quantumcomputerarchitecturen, eigenlijk allemaal tot nu toe, zijn in die zin niet schaalbaar. In ons geval denken we dat we een pad hebben gevonden naar echte schaalbaarheid in de hardware. Het belangrijkste dat moet worden overwonnen, is de vraag hoe je informatie in en uit de chip krijgt. We denken dat we een manier hebben gevonden om dat probleem te omzeilen.

Het tweede is hoe je het bouwt, en dat is een fabricageprobleem. Een deel van de reden waarom we de aanpak hebben gekozen die we hebben gekozen, is dat de circuits die we als basis voor deze dingen gebruiken, kunnen worden ontworpen, gebouwd en getest met behulp van standaard halfgeleiderprocedures. We hoeven dus geen nieuwe fabricagetechnologie uit te vinden, behalve om het proces in de eerste plaats te laten draaien.

Het derde ding, dat waarschijnlijk de moeilijkste vraag is om te beantwoorden, is dit: als we het kunnen bouwen en er informatie in en uit kunnen sturen, zal het dan in feite blijven werken als een kwantumcomputer? Dat is een punt dat we op dit moment eenvoudigweg niet kunnen beantwoorden, omdat niemand systemen op dat niveau heeft kunnen modelleren met welke voorspellende capaciteit dan ook. Het is te ingewikkeld. Dat is een vraag die alleen empirisch kan worden beantwoord. Onze filosofie is dus: doe elke maand een nieuwe processor. Stel dat we 12 generaties per jaar hebben, iets lijkt niet te werken; we kunnen het oplossen door middel van iteratief herontwerp.

JP : Waarin verschilt jouw commerciële aanpak van die van de academie?

GR : De aanpak van de academicus is niet per se slechter dan de onze, maar het is anders. Onze aanpak is om zoveel mogelijk qubits op een chip te gooien, deze echte problemen op te lossen en vervolgens de prestaties van die problemen te gebruiken als de maatstaf waarmee je meet wat beter en wat slechter is. Dus wanneer u het vermogen van de machine vergroot, vergroot u het vermogen van de machine om problemen sneller en grotere problemen op te lossen. Vergeleken met de academische benaderingen is die van ons snel en vies, al denk ik niet dat het minder voorzichtig is.

JP : Wat voor dingen zou ik kunnen doen met een 1024-qubit kwantumcomputer?

GR : Er zijn heel veel bestaande commerciële toepassingen die een optimale oplossing vereisen voor een probleem met veel variabelen. Bij chipontwerp zijn veel van de problemen die te maken hebben met hardware-ontwerpverificatie bijvoorbeeld van dit soort. Er zijn ook tal van toepassingen op het gebied van financiële engineering die investeringsbanken met ons willen nastreven: zaken als portefeuilleoptimalisatie, risicovermindering, het selecteren en beprijzen van derivaten. Bovendien is elk planningsprobleem dat in de wereld bestaat een van deze problemen. Je kunt je iemand voorstellen als een luchtvaartmaatschappij of een federale overheidsorganisatie die veel mensen moest inplannen waar allerlei problemen zijn over wie waar werkt en wie toegang krijgt tot wat en waarom. Deze problemen creëren deze enorme scenario's voor conflictoplossing die tegenwoordig gewoon niet kunnen worden beheerd. Ze zijn te moeilijk om op te lossen in de tijdsduur waarin mensen ze willen oplossen. Ik denk dat de manier waarop het er in de toekomst uit gaat zien, is dat iedereen die een belangrijke planning, routering, planning, toepassing heeft - al die applicaties worden geport naar onze machines, die online beschikbaar zullen zijn.

zich verstoppen