Viel mehr Qubits, weniger Rauschen und eine höhere Konnektivität sollten die Leistung steigern.
Topologie der Verbindungen zwischen den Qubits in der Hardware der nächsten Generation von D-Wave
Am Dienstag kündigte D-Wave die Details seiner Berechnungshardware der nächsten Generation an, die es „Advantage“ nennt, und veröffentlichte eine Reihe von Whitepapers, die einige der Leistungsmerkmale der Maschine beschreiben. Während einige Details des kommenden Systems bereits früher auf onlinebetrug bekannt gegeben wurden, hatte Ars die Möglichkeit, an einem D-Wave-Anwendertreffen teilzunehmen, zu dem auch Vorträge von Product dDsign-Vizepräsident Mark Johnson und Senior Scientist Cathy McGeoch gehörten. Wir haben uns auch mit Alan Baratz, dem Chief Product Officer von D-Wave, über die Hardware unterhalten. Sie gaben uns einen Eindruck davon, was uns erwartet, wenn die Maschine im nächsten Jahr online geht.
Teil der Landschaft
Die Hardware von D-Wave führt eine Form der Berechnung durch, die sich von derjenigen unterscheidet, die von Unternehmen wie Google, Intel und IBM betrieben wird. Diese Unternehmen versuchen, einen torbasierten Quantencomputer zu bauen, der in der Lage ist, allgemeine Berechnungen durchzuführen, aber sie sind auf bekannte Probleme mit der Vergrößerung der Anzahl der Qubits und der Begrenzung des Auftretens von Rauschen in ihren Berechnungen gestoßen. Der Quantenglüher von D-Wave ist in Bezug auf die Art der Probleme, die er lösen kann, begrenzter, aber sein Design ermöglicht es, die Anzahl der Qubits leichter zu vergrößern und die Auswirkungen von Rauschen zu begrenzen.
Am einfachsten ist es, sich eine D-Welle als Erforschung einer Energielandschaft mit Hügeln und Tälern vorzustellen. Es ist darauf spezialisiert, das tiefste Tal in einer dieser Landschaften zu finden und vermeidet es, in einem lokalen Tal stecken zu bleiben, indem es Quanteneffekte nutzt, um durch dazwischenliegende Hänge zu „tunneln“. Das kann verwendet werden, um Berechnungen durchzuführen, aber nur, wenn die Berechnung so strukturiert werden kann, dass sie wie ein Energieminimierungsproblem aussieht.
In dieser Analogie ist die Menge an Landschaft, die Sie erforschen können, ungefähr gleichwertig mit der Komplexität des Problems, das Sie bewältigen können, und beide gehen mit dem Hinzufügen von mehr Qubits nach oben. Und das ist eine der großen Veränderungen, die das neue System mit sich bringt: Während die aktuelle Generation mit rund 2.000 Qubits die Nase vorn hat, wird die nächste mit 5.000 Qubits aufwarten, so dass sie komplexere Berechnungen durchführen kann. Jackson legte eine konkrete Zahl darauf, indem er diskutierte, wie es ein physikalisches System namens Spin-Glas-Gitter modellieren kann. Die vorherige Version konnte ein 8x8x8x8 Gitter aufnehmen, die neue Version kann 15x15x12x12.
Der andere große Schub für die Komplexität der Berechnung liegt in den Verbindungen zwischen den Qubits, die notwendig sind, damit sich das System wie eine einzige Einheit verhält. Die aktuelle Generation von Chips hat 6.000 Verbindungen unter ihren 2.000 Qubits, aber das nächste System wird 40.000 für seine 5.000 haben. Verbindungen zwischen bestimmten Qubits sind für Berechnungen entscheidend; wenn zwei Qubits nicht direkt verbunden sind, müsste das System andere Qubits identifizieren, die die Lücke zwischen den beiden kritischen Qubits schließen und eine so genannte Kette bilden.
Dadurch bleiben nicht nur weniger Qubits für Berechnungen übrig, sondern Ketten schaffen auch einen potenziellen Fehlerpunkt
„Wenn es keine Ketten gibt, werden Sie die Antwort bekommen, mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit“, sagte Baratz zu Ars. „Wenn es viele Ketten gibt, die relativ kurz sind, werden Sie es ziemlich gut machen. Wenn es viele Ketten gibt, die lang sind, beginnt die Wahrscheinlichkeit zu sinken.“ Durch diese Erhöhung der Anzahl der Verbindungen sinkt der Bedarf an Ketten dramatisch, und die Ergebnisse der Berechnungen stellen eher ein globales als ein lokales Minimum dar.
Der letzte Punkt auf der Agenda von D-Wave für den neuen Chip ist die Reduzierung des Rauschens einzelner Qubits – Baratz sagte, die Reduzierung sei um etwa das Dreifache bis Vierfache. Offensichtlich macht ein geringeres Rauschen ein Qubit wahrscheinlicher, dass es sich im richtigen Zustand befindet, wenn es Zeit ist, es zu messen. Sie hat aber auch einen erheblichen Einfluss auf den Tunnelbau, der erforderlich ist, um einem lokalen Minimum zu entkommen. „Es bedeutet eine etwa siebenfache Verbesserung der Tunnelbau-Raten“, sagte Baratz.
Dies macht auch einen Unterschied, wie oft Sie eine Berechnung wiederholen müssen, um ein starkes Gefühl dafür zu haben, was die beste Antwort ist. „Unser System ist ein probabilistisches System, in dem Sinne, dass man mit einiger Wahrscheinlichkeit die richtige Lösung erhält“, fuhr er fort. „Du bekommst immer eine gute Lösung, aber mit einiger Wahrscheinlichkeit die richtige Lösung, die optimale Lösung. Und so laufen Sie mehrmals, um zur richtigen Lösung zu gelangen. Mit einer rauscharmen Technologie für ein bestimmtes Problem war die Wahrscheinlichkeit, es richtig zu machen, 25 mal höher, so dass wir es 25 mal schneller laufen lassen konnten.“ (McGeoch sagte separat, dass die Beschleunigung irgendwo zwischen dem Fünffachen und dem 100-fachen liegen könnte, je nach Berechnung.)