211service.com
CIA i Jeff Bezos stawiają na obliczenia kwantowe
Wewnątrz masywnego budynku na przedmieściach Vancouver, naprzeciwko skromnego McDonalda, znajduje się miejsce, w którym jest chłodniej niż gdziekolwiek w znanym wszechświecie. Wewnątrz znajduje się procesor komputerowy, który według założyciela Amazona, Jeffa Bezosa i działu inwestycyjnego CIA, In-Q-Tel, może wykorzystać dziwactwa mechaniki kwantowej, aby uwolnić więcej mocy obliczeniowej niż jakikolwiek konwencjonalny chip komputerowy. Bezos i In-Q-Tel należą do grupy inwestorów, którzy stawiają na tę perspektywę 30 milionów dolarów.
Uwikłany : Jest to część struktury, która chłodzi i osłania procesor D-Wave, aby mógł (podobno) przeprowadzać obliczenia kwantowe.
Jeśli zakład się powiedzie, niektóre z najbardziej drażliwych problemów obliczeniowych na świecie, takie jak polowanie na nowe leki lub próby zbudowania sztucznej inteligencji, staną się znacznie mniej trudne. Ten rozwój oczyściłby również splamioną reputację D-Wave Systems, startupu, którego ośmioletnie starania o stworzenie komputera kwantowego zarobiły niewiele więcej niż sceptycyzm graniczący z ośmieszeniem ze strony wybitnych fizyków.
Przechłodzony procesor D-Wave został zaprojektowany tak, aby radzić sobie z problemami, które inżynierowie oprogramowania nazywają problemami z optymalizacją, sednem zagadek, takich jak znalezienie najbardziej wydajnej drogi dostarczania lub sposób poruszania się atomów w białku po napotkaniu związku leku. Praktycznie wszystko ma związek z optymalizacją i jest podstawą uczenia maszynowego, które leży u podstaw praktycznie całego tworzenia bogactwa w Internecie, mówi Geordie Rose, założyciel i dyrektor ds. technologii D-Wave. W uczeniu maszynowym, gałęzi sztucznej inteligencji, oprogramowanie bada informacje o świecie i formułuje odpowiedni sposób działania w przyszłości. Stanowi podstawę technologii, takich jak rozpoznawanie mowy i rekomendacje produktów, i jest priorytetem w badaniach firm, takich jak Google i Amazon, które opierają się na big data.
Nasi klienci ze społeczności wywiadowczej mają wiele złożonych problemów, które obciążają klasyczną architekturę obliczeniową, powiedział Robert Ames, wiceprezes ds. technologii informacyjnych i komunikacyjnych w In-Q-Tel w opublikowanym dzisiaj oświadczeniu. Głównym klientem In-Q-Tel jest CIA, a kolejnym jest Narodowa Agencja Bezpieczeństwa. Wiadomo, że obaj inwestują w zautomatyzowane gromadzenie i analizę danych wywiadowczych.
Rose, pewny siebie Kanadyjczyk z gitarą i mieczem samurajów w kącie swojego biura bez okien, donosi dziennikarzom wielkie roszczenia od 2007 roku, kiedy to na głośnym wydarzeniu na Muzeum Historii Komputerów w Mountain View w Kalifornii. Uczestnicy widzieli, jak procesor D-Wave (podobno) rozwiązuje łamigłówki sudoku i znajduje odpowiednik konkretnej cząsteczki leku w zbiorze innych związków. Jednak w następnych tygodniach, miesiącach i latach spadł na firmę sceptycyzm i oskarżenia o oszustwa ze strony akademickich ekspertów od obliczeń kwantowych. Wstępne przewidywania Rose'a dotyczące tego, jak szybko firma zwiększy rozmiar i możliwości swoich chipów, poszły na marne, a firma, choć wciąż dobrze finansowana, była publicznie spokojna.
Zapisanie się do Bezosa i In-Q-Tel – najwybitniejszych dotychczasowych sponsorów firmy – jest ostatnim z serii wydarzeń, które sugerują, że D-Wave uważa, że jest gotowe, by w końcu odpowiedzieć swoim krytykom. W maju 2011 roku firma opublikował artykuł w prestiżowym czasopiśmie Natura krytyczni naukowcy powiedzieli, że był pierwszym, który udowodnił, że chipy D-Wave mają niektóre z właściwości kwantowych potrzebnych do poparcia twierdzeń Rose. Badacze sztucznej inteligencji w Google regularnie logują się do komputera D-Wave przez Internet, aby go wypróbować, a w 2011 roku firma podpisała kontrakt z pierwszym klientem. Wykonawca obrony, Lockheed Martin, zapłacił 10 milionów dolarów za komputer na badania nad automatycznym wykrywaniem błędów oprogramowania w złożonych projektach, takich jak opóźniony myśliwiec F-35 (patrz Tapping Quantum Effects for Software, który się uczy). Pozostają pytania dotyczące tego, jak działa jego technologia, ale D-Wave twierdzi, że nadchodzi więcej dowodów. Przygotowuje ulepszony procesor, który Rose nazywa pierwszym prawdziwym produktem firmy, a nie sprzętem badawczym. Oczekuje się, że D-Wave ogłosi innych głównych klientów w nadchodzących miesiącach.
Zimny punkt
Wejdź do parterowego pakietu biurowego D-Wave, a powitają Cię nijakie sale konferencyjne, biura i kabiny. Ale otwórz właściwe drzwi z głównego korytarza, a znajdziesz się w jasnej, białej przestrzeni laboratoryjnej zdominowanej przez cztery czarne monolity – komputery D-Wave. Mniej więcej w kształcie sześcianu i około 3 metrów wysokości, emitują rytmiczny, wysoki dźwięk, gdy wewnątrz krążą przechłodzone gazy. Każda z maszyn ma drzwi z boku i jest w większości pusta, z czymś, co wygląda jak pistolet promieniowy schodzący z sufitu, szeroko rozstawionym stosem pięciu metalowych dysków o zmniejszających się rozmiarach połączonych razem kablami, rozpórkami i rurami pokrytymi złotem i miedź. W rzeczywistości jest to zimny pistolet: konstrukcja ma temperaturę -452 °F (4 °K) na szerokim końcu i kilka tysięcznych stopnia powyżej zera absolutnego na jego czubku, gdzie można znaleźć cal-kwadratowy chip D-Wave . Nawet najgłębsze zakątki kosmosu nie są tak zimne ani tak osłonięte przed polami magnetycznymi, jak ten chip, który jest wytrawiony w zakładzie w Dolinie Krzemowej ze stopu niobu, który w ultraniskich temperaturach staje się nadprzewodnikiem.
Procesor w każdym używanym komputerze jest wykonany z krzemu i jest wzorowany na tranzystorach, które tworzą bramki logiczne — przełączniki, które są albo włączone (reprezentowane przez 1 w programowaniu komputera) albo wyłączone (a 0). Procesory D-Wave również składają się z elementów, które przełączają się między 1 a 0, ale są to pętle ze stopu niobu — w najnowszym procesorze jest ich 512. Te pętle są znane jako kubity i mogą zatrzymywać prąd elektryczny, który krąży wewnątrz pętli zgodnie z ruchem wskazówek zegara (oznaczonym przez 0) lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (1). Mniejsze pętle nadprzewodzące, zwane sprzęgaczami, łączą kubity, dzięki czemu mogą wchodzić w interakcje, a nawet wpływać na siebie, aby przełączać się między 1 a 0.
Ta delikatna konfiguracja została zaprojektowana w taki sposób, aby układ kubitów był zgodny z algorytmem, który rozwiązuje szczególny rodzaj problemu optymalizacji w rdzeniu wielu zadań trudnych do rozwiązania na konwencjonalnym procesorze. To jak specjalistyczna maszyna w fabryce, która potrafi zrobić jedną rzecz naprawdę dobrze, na określonym rodzaju surowca. Wykonywanie obliczeń na chipie D-Wave wymaga podania tego surowca w postaci liczb, które zostaną wprowadzone do jego zakodowanego na sztywno algorytmu. Odbywa się to poprzez ustawienie kubitów we wzorze z jedynkami i zerami oraz dostrojenie sposobu, w jaki sprzęgacze umożliwiają interakcję kubitów. Po odczekaniu mniej niż sekundy kubity ustawiają się na nowe wartości, które reprezentują niższy stan energii procesora i ujawniają potencjalne rozwiązanie pierwotnego problemu.
To, co dzieje się podczas tego kluczowego oczekiwania, jest rodzajem argumentu mechaniki kwantowej. Kubity wchodzą w dziwny stan kwantowy, w którym są jednocześnie 1 i 0, tak jak kot Schrodingera jest martwy i żywy, i zamykają się w dziwnej synchroniczności znanej jako splątanie, zjawisko kiedyś opisane przez Einsteina jako upiorne. Dzięki temu system kubitów może błyskawicznie zbadać każdą możliwą ostateczną konfigurację, zanim zdecyduje się na tę, która jest najprostsza lub bardzo jej zbliżona.
Przynajmniej tak mówią naukowcy D-Wave. Pozostaje wiele pytań dotyczących tego, co faktycznie dzieje się w chipach firmy, zwłaszcza w głowach własnych fizyków, inżynierów i informatyków. Budujemy ten system empirycznie, a nie tylko zgodnie z teorią, mówi Jeremy Hilton, wiceprezes D-Wave, który kieruje rozwojem procesorów. On i inni inżynierowie firmy nie wiedzą na pewno, co dzieje się w chipie, ale dopóki każdy projekt generuje odpowiedzi na postawione problemy, drobniejsze szczegóły fizyki kwantowej zachodzącej wewnątrz mogą poczekać na weryfikację retrospektywną.
To podejście, które wydaje się dobrze współgrać z inwestorami, ale nadal niepokoi naukowców. Na poziomie inżynierskim stworzyli układ, który jest imponujący na różne sposoby, mówi Scott Aaronson, profesor MIT, który bada granice obliczeń kwantowych. Ale jeśli chodzi o dowody na to, że rozwiązują problemy za pomocą mechaniki kwantowej szybciej niż można by to było klasycznie, nie sądzę, że to jeszcze istnieje. Zaciekły krytyk D-Wave w latach po jego demo z 2007 roku, Aaronson złagodził swoje stanowisko w zeszłym roku po firmie Natura artykuł pokazujący efekty kwantowe. W przeszłości istniała ogromna przepaść między twierdzeniami marketingowymi a miejscem, w którym znajdowała się nauka, i to się zmniejsza, ale nadal istnieje luka, mówi Aaronson, który odwiedził laboratoria firmy w lutym. Na nich spoczywa ciężar dowodu, a oni jeszcze go nie spełnili.
Największym problemem Aaronsona jest to, że projekt systemu D-Wave mógłby w wiarygodny sposób rozwiązywać problemy bez efektów kwantowych, w takim przypadku byłby to po prostu bardzo dziwny konwencjonalny komputer. On i inni krytycy twierdzą, że firma musi jeszcze udowodnić dwie rzeczy: że jej kubity naprawdę mogą wchodzić w superpozycje i zaplątać się, oraz że chip zapewnia znaczne przyspieszenie kwantowe w porównaniu z klasycznym komputerem pracującym nad tym samym problemem. Do tej pory firma przedstawiła dowód tego na forum recenzowanym przez ekspertów.
Rose mówi, że D-Wave pracuje nad udowodnieniem dowodów na splątanie, a ostatnie bezpośrednie testy przeciwko klasycznym komputerom pokazały, że idzie naprzód w zakresie problemu obliczeniowego, który ma rozwiązać.
Aaronson mówi również, że sposób, w jaki procesor D-Wave jest zakodowany na sztywno dla jednego konkretnego rodzaju problemu, ograniczy zakres problemów, które może rozwiązać. Ponadto stosunkowo niewielka liczba kubitów w procesorze oznacza, że może on obsługiwać tylko małe ciągi danych. Wykorzystanie sztuczek matematycznych do przetłumaczenia problemu na odpowiednią formę, aby poradzić sobie z tymi ograniczeniami, i odwrócenie procesu, gdy chip D-Wave udzieli odpowiedzi, może spowodować znaczne spowolnienie, mówi Aaronson. Rose twierdzi, że procesor kwantowy będzie wystarczająco szybki, aby pokonać takie kary, i mówi, że ma inżynierów pracujących nad sposobami automatycznego przetłumaczenia normalnego kodu programistycznego na to, czego potrzebuje chip D-Wave.
To, czy D-Wave może zadowolić Aaronsona i innych sceptyków, nie musi mieć znaczenia dla inwestorów i firm technologicznych. To dlatego, że w tak wielu obszarach biznesu moc obliczeniowa ma kluczowe znaczenie dla utrzymania przewagi konkurencyjnej, mówi Steve Jurvetson , partner w firmie venture capital Draper Fisher Jurvetson, który dwukrotnie zainwestował w D-Wave i nazywa ją najbardziej osobliwą technologią swing-for-the-fence, jaką kiedykolwiek sfinansował. Przestrzeń aplikacji do tego, jak mówi, jest wszędzie tam, gdzie musieliśmy sięgnąć do heurystyki – praktyczna reguła – aby rozwiązać problem: handlarze jednodniowi, modelowanie molekularne, każdy w e-commerce oraz firmy Google i Microsoft z świat. Firmy takie jak Lockheed, Amazon i duże firmy farmaceutyczne najlepiej znają ograniczenia konwencjonalnych komputerów i będą pierwsze w kolejce, mówi Jurvetson, ale może również skorzystać na zaprojektowaniu nowego samochodu lub nowego sklepu internetowego.
Firmy i agencje rządowe mają inną, być może pilniejszą motywację, by zaryzykować startup, który ma kuszący pomysł, ale kilka kłopotliwych luźnych końcówek. Bob Lucas, który kieruje badaniami nad superkomputerami i obliczeniami kwantowymi na Uniwersytecie Południowej Kalifornii, gdzie zainstalowany jest komputer Lockheed D-Wave, ma dobre powody, by sądzić, że wykładniczy wzrost mocy obliczeniowej obserwowany w ciągu ostatnich kilku dekad dobiega końca. Wiele regularnych postępów w zakresie mocy obliczeniowej wynikało z kurczenia się połączeń w chipach z roku na rok, ale ponieważ wiodący producent chipów Intel pracuje obecnie nad wykonaniem ich o średnicy zaledwie 14 nanometrów, niewiele można uzyskać. Żyjemy w ciągu ostatnich 10 lat wykładniczego wzrostu [klasycznej] mocy obliczeniowej, a alternatywy do tego staną się bardziej interesujące, mówi Lucas. Dodaje, że dzięki swoim eksperymentom na systemie D-Wave firmy Lockheed zmienił się z bardzo sceptycznego na ostrożnego optymistę co do technologii.