Cała prawda o maszynach D‑Wave: tak, to komputery kwantowe, ale nie takie jakich się obawialiście

Gdy dwa lata temu kanadyjska firma D-Wave zaprezentowała maszynęD-Wave One, określaną jako pierwszy na świecie komputer kwantowy,naukowcy niebardzo wiedzieli, co o tym myśleć. Z jednej strony eksperci zMIT deklarowali, że to oszustwo, nic nie mające wspólnego zkwantowymi procesami, z drugiej strony Lockheed-Martin kupił za 10mln dolarów ten kwantowy komputer do wyszukiwania błędów woprogramowaniu myśliwca F-35. Nie pomagała całej sprawiewidowiskowa tajemniczość decydentów firmy, lubujących się wprezentowaniu podświetlonych czarnych monolitów, ale niewielechcących powiedzieć o tym, jak ich sprzęt działa.[img=dwave]Dzisiaj sceptyków zostało niewielu. Wygląda na to, żefaktycznie D-Wave One jest komputerem kwantowym, a nie klasycznąmaszyną przebraną w „kwantowe szaty” z marketingowych powodów.Jednocześnie jednak nie jest to taki kwantowy komputer, o którymfantazjują zajmujący się kryptografią matematycy. Efektkwantowego wyżarzania, wykorzystywany przez maszyny D-Wave, ma tylkoograniczone zastosowania, i nawet nie do końca wiadomo, czy możeon być bardziej efektywny w tych zastosowaniach niż komputeryklasyczne.Komputery od D-Wave, mimo ogromnej liczby kubitów(najpotężniejsza maszyna ma ich 512), nie mają bowiem nicwspólnego z uniwersalnymi maszynami kwantowymi, wykorzystującymisplątanie stanów do realizacji algorytmów kwantowych w czasienieosiągalnym dla komputerów klasycznych. Kubity w takim„wyżarzaczu” wyszukują stanów o najniższej energii, którereprezentowałyby rozwiązanie problemu z zakresu dyskretnejoptymalizacji, czyli takiego, w którym chodzi o jednoczesnespełnienie maksymalnej możliwej liczby zadanych kryteriów – idlatego właśnie maszyny D-Wave tak dobrze posłużyły przywyliczaniu fałdowaniasię białek, obliczeniowo trudnego dla klasycznych komputerów.Mimo tych praktycznych sukcesów samo D-Wave najwyraźniej zadobrze nie rozumiało podstaw działania wykorzystywanej technologiii nie potrafiło dowieść kwantowej natury swoich maszyn. Pierwsząpróbę podjęli w 2011 roku współpracujący z firmą badacze,przedstawiając dowody na to, że 8-kubitowy system reaguje na zmianytemperatury tak, jak reagować powinno urządzenie działające napoziomie kwantowym. Teraz uzyskaliśmy ostateczne potwierdzeniedeklaracji D-Wave, a jednocześnie dobre porównanie tych maszyn zkomputerami klasycznymi.Na łamach arXiv.org pojawiłsię artykuł pt. Quantum annealing with more than one hundredqubits, przedstawiający eksperymenty na 108-kubitowym komputerzeD-Wave One i symulowanym kwantowym wyżarzaczu (komputer ten ma 128kubitów, ale w eksperymencie wykorzystana została ich mniejszaliczba). Potwierdziły one, że w przeciwieństwie do klasycznegowyżarzania, zachodzi tu odseparowanie od siebie problemów trudnychi łatwych. Chodzi o to, że dla klasycznego wyżarzacza rozkładprawdopodobieństwa jest jednomodalny (ma jedną wartośćmaksymalną), podczas gdy symulowane wyżarzacze kwantowecharakteryzują się rozkładem bimodalnym na histogramie. Taki samrozkład charakteryzuje urządzenie D-Wave, z wyraźnym podziałem nałatwe i trudne przypadki. Im zaś dłuższy jest czas wyżarzania,tym bimodalność rozkładu jest bardziej wyraźna.[img=dwave-proof]Czy jednak to jest efektywna metoda rozwiązywania tej wąskiejklasy problemów? To pytanie pozostaje otwarte. Można jedyniepowiedzieć, że dla problemów o przeciętnym poziomie trudnościkwantowe wyżarzanie dorównywało wysoce zoptymalizowanym algorytmomwyżarzania klasycznego, uruchamianym na 8-rdzeniowym Xeonie E5-2670i było kilkukrotnie wolniejsze od algorytmów tych uruchomionych naprocesorze graficznym Nvidii K20X (Kepler). Dla 108 kubitówwiększość problemów optymalizacyjnych okazała się łatwa.Dopiero eksperymenty na urządzeniu z 512 kubitami powinny pokazać,czy kwantowy wyżarzacz maszyn D-Wave jest w stanie prześcignąćalgorytmy dla klasycznych architektur – autorzy piszą, że w tymwypadku niemal wszystkie przypadki będą trudne, a symulacjakwantowego wyżarzacza wymagać będzie mocy obliczeniowej większejo przynajmniej trzy rzędy wielkości.Im większy zatem problem, tym bardziej zbliżamy się do granicmożliwości maszyn klasycznych. Według badaczy, przyoptymistycznych założeniach średni czas rozwiązania problemu o2048 zmiennych wzrasta z milisekund do minut, a dla 4096 zmiennych zminut do miesięcy. Istnieje możliwość, że kwantowe wyżarzaniebędzie się tu znacznie lepiej skalowało, co wreszcie daje jakąśnadzieję na prawdziwy „kwantowy skok” w rozwiązywaniu tychproblemów.