Pozrite si
Vedci vyvinuli novú techniku, ktorá môže až exponenciálne zrýchliť superpočítače pomocou „magického prachu“. Ten osvieti optimálne riešenie, namiesto toho, aby ho hľadal lineárne.
Ľudský mozog pri myslení, a tým skôr pri intuícii, pracuje úplne inak ako počítače, ktoré vykonávajú množstvo lineárnych operácií a k riešeniu komplikovaných úloh prichádzajú metódou pokus-omyl.
Rýchlo a zbesilo
Superpočítače sa pri riešení problémov spoliehajú na robustnú silu a veľkou rýchlosťou vykonávajú miliardy a bilióny výpočtov, až kým nedosiahnu optimálne riešenie. S pokrokom v oblasti IT sa počítače neustále zrýchľujú.
Kým prvé superpočítače spracovali rádovo milióny operácií za sekundu, najrýchlejší súčasný superpočítač – čínsky Sunway TaihuLight – dokáže vykonať až 93 petaflop/s, čiže 93×1015 operácií s plávajúcou čiarkou za sekundu.
Kvantové počítače, ktoré pomaly nastupujú, by mohli túto výpočtovú mohutnosť ešte o mnoho rádov zrýchliť tým, že spracujú viac súčasných operácií. Ale aj tu je princíp rovnaký.
Úplne nový systém, ktorý vyvíjajú vedci z univerzít v Cambridgei, Southamptone a Cardiffe a z ruského Skolkovského inštitútu vedy a technológií má však potenciál prekonať všetky existujúce počítačové architektúry. Pomocou „magického prachu“, vyrobeného súčasne zo svetla a z hmotných častíc, by mal „vysvietiť“ priamo optimálne riešenie.
Samozrejme, nie je reč o vykonávaní aritmetických operácií. Aj kvantové počítače sú určené na špecifické typy výpočtov. V prípade veľmi zložitých úloh napríklad z biológie, finančníctva, fyziky, alebo astronómie, je potrebné vyriešiť veľa variácií matematických modelov, aby sa našlo optimálne riešenie. Také, ktoré vedie k vyriešeniu konkrétneho problému s čo najnižším počtom krokov.
Vedci túto myšlienku ilustrovali pomocou analógie turistov, ktorí sa snažia nájsť najnižší bod hornatého terénu tak, že lineárne celý terén prechádzajú. Takýto turista nemôže s istotou určiť najnižšie miesto v teréne, kým ho celý nepochodí. Súčasná filozofia počítačových riešení úloh spočíva v pridávaní rýchlosti pohybu týmto turistom, ale princíp hľadania zostáva rovnaký.
Použitím metódy „magického prachu“ by sa celý terén otestoval súčasne a dolinka s najnižšou nadmorskou výškou by sa ožiarila, ako výsledok riešenia úlohy.
Opäť kvantová fyzika
Myšlienka je postavená na kvantových kvázičasticiach nazývaných polaritóny, ktoré sú sčasti svetlom a sčasti hmotou. Jej implementácia však nebola jednoduchá. Natalia Berloff, jedna z autoriek výskumu, hovorí, že keď teoretickú koncepciu predložili pred troma rokmi trom vedeckým časopisom a všetky ju odmietli. Nebolo teda iné východisko, ako návrh overiť experimentálne vlastnými silami.
Pre vytvorenie častíc „magického prachu“ vedci ožarovali laserom vrstvy atómov prvkov gália, arzénu, india a hliníka, čo spôsobuje, že elektróny v týchto vrstvách absorbujú a vyžarujú svetlo určitej farby.
Toto pôsobenie vytvára kvázičastice známe ako polaritóny, ktoré, keďže sú 10 000 krát ľahšie ako elektróny, môžu sa veľmi tesne uzavrieť a vytvárajú zvláštny stav hmoty nazývaný Bose-Einsteinov kondenzát. V tejto forme sa kvantové fázy polaritónov synchronizujú a spôsobujú, že sa rozsvietia na detekovateľnej úrovni.
Na využitie navrhovanej techniky museli výskumníci nájsť spôsob, ako reprezentovať krajinu, ktorá zodpovedá problému, ktorý chcú riešiť. Použili model XY, základný druh optimalizácie problému, reprezentovaný na dvoch rovinách grafu. Táto technika je dostatočne jednoduchá na modelovanie, ale je aj dostatočne univerzálna na použitie v prípade mnohých zložitejších problémov.
Zažiari svetlo v temnotách procesorov?
Výskumníci dokázali vytvoriť na vrcholoch grafu XY polaritóny, tie sa po kondenzácii združujú v bode, ktorý zodpovedá absolútnemu minimu funkcie, ktorú sa snažia vyriešiť. Perspektívne by tento systém mohol pomôcť výrazne zvýšiť výkon superpočítačov tým, že by pri hľadaní riešenia úplne odstránil „turistov“.
„Sme na začiatku skúmania potenciálu polaritónových grafov na riešenie zložitých problémov,“ hovorí Pavlos Lagoudakis, spoluautor štúdie. „V súčasnej dobe rozširujeme naše zariadenie na stovky uzlov a testujeme jeho základnú výpočtovú silu. Konečným cieľom je mikročip kvantového simulátora pracujúci v bežných podmienkach.
Zdroj