A Fujitsu bejelentette, hogy egy kvantumszimulátoron olyan új technikát fejlesztettek ki, amely felgyorsítja a kvantum-klasszikus hibrid algoritmusokat, amelyeket a kvantumszámítógépek korai felhasználásának módszereként javasoltak, és a korábbi szimulációkhoz képest 200-szoros számítási sebességet képes elérni. A hagyományos kvantum- és klasszikus hibrid algoritmusokat használó kvantumáramkör-számítások esetében a kvantumáramkör-számítás számának a szorzata a megoldandó probléma nagyságrendjétől függően növekszik. A nagyobb léptékű, sok qubitet igénylő problémák, például az anyagok és a gyógyszerkutatás területén végzett szimulációk akár több száz napot is igénybe vehetnek ezáltal.
Az újonnan kifejlesztett technológia lehetővé teszi a nagyszámú, több csoportra elosztott, ismétlődően végrehajtott kvantumáramköri számítások egyidejű feldolgozását. A Fujitsu azt is kitalálta, hogy az általa kifejlesztett, a világ egyik legnagyobb léptékű kvantumszimulátorának segítségével a problémák nagy mértékben, kisebb pontosságveszteséggel egyszerűsíthetők. A Fujitsu lehetővé tette, hogy a kvantumszimulátoron mindössze egy nap alatt elvégezzenek olyan számításokat, amelyek hagyományos módszerekkel becslések szerint 200 napot vettek volna igénybe. Ennek eredményeképpen mostantól reális időkeretben lehet elvégezni a nagyméretű kvantumszámítások szimulációit, valamint egy hibrid kvantum-klasszikus algoritmussal lehet kiszámítani a nagyobb molekulák viselkedési formáit.
A Fujitsu azt tervezi, hogy ezt a technológiát beépíti a hibrid kvantumszámítógépes platformjába, hogy felgyorsítsa a kvantumszámítógépek gyakorlati alkalmazásának kutatását különböző területeken, többek között a pénzügyek és a gyógyszerkutatás terén. A vállalat emellett nemcsak kvantumszimulátorokban fogja alkalmazni ezt a technológiát, hanem a tényleges kvantumszámítógépeken végzett kvantumáramkör-számítások felgyorsításában is fontos szerepet fog betölteni.
A projekt háttére
Annak ellenére, hogy a hibatűrő kvantumszámítógépek (FTQC) fejlesztése jelenleg világszerte nagy léptékben halad előre, a jelenlegi kvantumszámítógépek számos problémával küzdenek, például azzal, hogy nem képesek kiküszöbölni a zaj hatását. Ugyanakkor az FTQC-t megelőző kvantumszámítógépek hasznosságának demonstrálása érdekében tanulmányozzák a kis és közepes méretű kvantumszámítógépek (Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer, NISQ) gyakorlati alkalmazásait, amelyek 100-1000 qubit közötti zajtűréssel rendelkeznek.
A VQE-n, egy tipikus NISQ-algoritmus alkalmazásával a Fujitsu például kvantumszimulátort fejlesztett ki a kvantumalkalmazások fejlesztéséhez, és azon dolgozik, hogy felgyorsítsa magát a kvantumáramkör-számítást. A VQE-ben azonban a kvantumáramkör-számítás iterációinak száma a probléma méretének növekedésével szintén nő, így a számítások elvégzése nagyon hosszú időt vesz igénybe, különösen a sok qubitet igénylő nagy problémák esetében, és becslések szerint egy kvantumszimulátor esetében ez több 100 napot vesz igénybe. Pontosan ezért nagyon nehéz volt kvantumalgoritmusokat fejleszteni a gyakorlati felhasználásra.
Az újonnan kifejlesztett technológia vázlata
A fentebb említett problémára válaszul a Fujitsu kifejlesztett egy olyan technológiát, amely a hagyományos technológiák teljesítményének 200-szorosát éri el az ismétlődően végrehajtott kvantumáramköri számítások egyidejű elosztásával és a kvantumáramköri számítások mennyiségének csökkentésével, a pontosság romlásának mérséklésével egyidejűen.
A kvantumáramkörök ismételt számítását igénylő optimalizálási folyamatok párhuzamossága
A kvantum-klasszikus hibrid algoritmusok olyan kvantumáramkört keresnek, amely a legalacsonyabb energiaállapotot, például egy molekula alapállapotát biztosítja, a kvantumáramkör számítási folyamatának és a kvantumáramkör paramétereinek klasszikus számítógép segítségével történő optimalizálási folyamatának váltakozásával. A kvantumáramkörök klasszikus számítógépekkel történő paraméteroptimalizálásához azonban nagyszámú kvantumáramkört kell elkészíteni kis paraméterváltozásokkal, ugyanis mindegyiken egymás után kvantumáramkör-számítást kell végezni, és az eredményekből kell levezetni az optimális paramétereket. Ez jelentős számítási időt igényel, különösen nagyobb méretű problémák esetén. A csomópontok számának növelését pusztán az áramkörök számításának felgyorsítása érdekében hagyományosan a kommunikációs többletköltségek korlátozták, ezért új technológiákra volt szükség.
Arra a tényre összpontosítva, hogy a kis paraméterváltozásokkal rendelkező kvantumáramkörök anélkül kerüljenek végrehajtásra, hogy befolyásolnák egymást, a Fujitsu olyan elosztott feldolgozási technológiát fejlesztett ki, amely lehetővé teszi, hogy minden csoport különböző kvantumáramköröket alakítson ki azáltal, hogy a kvantumszimulátor számítási csomópontjait több csoportra osztja, és az RPC technológiát használja a kvantumáramkör-számítási feladatok hálózaton keresztül történő benyújtására. Ezzel a technológiával egyszerre több, különböző paraméterekkel rendelkező kvantumáramkör osztható szét és számítható ki, és a számítási idő a hagyományos technológiához képest 1/70-edére csökkenthető.
Ezenkívül, mivel a kvantum-klasszikus hibrid algoritmusban a számítási mennyiség arányos a megoldandó probléma egyenletében szereplő kifejezések számával, és a kifejezések száma a qubitek számának negyedik hatványa az általános VQE-ben, a számítási mennyiség a probléma skálájának növekedésével ugyancsak nő, és ezért az eredmény nem érhető el reális idő alatt. A Fujitsu a világ egyik legnagyobb, 40 qubites kvantumszimulátorának 32 qubitjét használó nagy molekulák szimulációi révén megállapította, hogy a kis együtthatókkal rendelkező kifejezések aránya a teljes kifejezésszámhoz képest a skála növekedésével nő, és a kis együtthatókkal rendelkező kifejezések hatása a számítások végeredményére tekintve minimális. Ezt a tulajdonságot kihasználva a Fujitsu képes volt elérni mind az egyenletben szereplő kifejezések számának csökkentését, mind a számítási pontosság romlásának megakadályozását, ezáltal sikerült körülbelül 80%-kal csökkenteni a kvantumáramkör számítási idejét.
E két technológia kombinálásával a Fujitsu először tudta demonstrálni, hogy egy 32 qubites probléma esetén 1024 számítógéppont 8 csoportba osztott feldolgozása során a korábbi 200 napos becsléssel szemben egy nap alatt sikerült elérni a 32 qubites kvantumszimuláció futtatási idejét. Ez várhatóan előremozdítja a nagyszámú qubitet tartalmazó problémákra vonatkozó kvantumalgoritmusok fejlesztését, valamint a kvantumszámítógépek alkalmazását az anyagtudomány és a pénzügyek területén.
Yukihiro Okuno, a Fujifilm Corporation elemzési technológiai központjának vezető kutatója így nyilatkozott: „Vizsgáljuk a kvantum számítógépek alkalmazását az anyagfejlesztés terén. Ezek közül a VQE alkalmazása a NISQ-eszközökben lényeges szempont. Arra számítunk, hogy ez a technológia nagymértékben felgyorsítja a VQE algoritmus működését.”
Tsuyoshi Moriya, a Tokyo Electron Limited digitális tervezési központjának alelnöke is hozzászólt: „A VQE felhasználását vizsgáljuk a félvezető anyagokhoz kapcsolódó molekulák energiájának kiszámítására, bizonyos anyagok elektronszerkezetének és fizikai tulajdonságainak előrejelzésére, valamint a félvezetőgyártási folyamatok kémiai reakcióinak optimalizálására. Reméljük, hogy ennek a folyamatnak a felgyorsítása lehetővé teszi számunkra a VQE algoritmus elvének és hatékonyságának gyors ellenőrzését és hasznosságának felfedezését. Azokat a NISQ-eszközöket, amelyek használatát a zaj és a hibák korlátozzák, e korlátok figyelembevételével fogjuk megvizsgálni.”
Összegzés
A Fujitsu által bejelentett új fejlesztés forradalmi lépést jelenthet a kvantumszámítógépek felhasználásában. Az általuk kifejlesztett technika lehetővé teszi a kvantum-klasszikus hibrid algoritmusok gyorsabb végrehajtását, ami áttörést hozhat olyan területeken, mint az anyag- és gyógyszerkutatás. Az új technológia révén a korábban hetekig vagy akár hónapokig tartó számítások most egyetlen nap alatt elvégezhetővé válnak, ezáltal reális időkeretben lehet elvégezni a nagyméretű kvantumszámítások szimulációit.
A Fujitsu nem csupán egy újabb fejlett eszközt mutatott be, hanem egy komplett megközelítést a kvantumszámítógépek gyakorlati alkalmazásának felgyorsítására. Az általuk kidolgozott elosztott feldolgozási technológia lehetővé teszi a nagyszámú kvantumáramköri számítások párhuzamos végrehajtását, minimalizálva ezzel a szükséges időt és erőforrásokat. Emellett az algoritmusok finomhangolásával és a pontosságveszteség minimalizálásával a Fujitsu képes volt jelentős sebességnövekedést elérni, miközben megőrizte a számítások megbízhatóságát.
A projekt nem csupán egy technológiai előrelépés, hanem egy egész iparágban várható forradalmat ígér. A pénzügyi és gyógyszeripari szektorokban a kvantumszámítógépek elterjedése azonnal érezhető hatást fog kiváltani. A bejelentett eredmények alapján úgy tűnik, hogy a Fujitsu nem csupán újabb technológiai fejlesztést valósított meg, hanem kulcsfontosságú áttörést ért el, amely elősegíti a kvantumszámítógépek szélesebb körű elfogadását, miközben hatékonyan kezeli az ehhez kapcsolódó korábbi korlátokat.
techkalauz.hu – az online techmagazin
