Gastkolumne von Quantum Particulars: „Jenseits von HPC, vor Quanten: Die Laserbearbeitung erweist sich als bahnbrechende Lösung für komplexe Optimierungsherausforderungen“

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Ruti Ben-Shlomi, CEO und Mitbegründer von Lightsolver, diskutiert, wie sich die Laserentwicklung auf das Quantencomputing ausgewirkt hat.

By Gastautor gepostet am 18

„Quantum Particulars“ ist eine redaktionelle Gastkolumne mit exklusiven Einblicken und Interviews mit Quantenforschern, -entwicklern und -experten, die sich mit den wichtigsten Herausforderungen und Prozessen in diesem Bereich befassen. Dieser Artikel, geschrieben von Ruti Ben-Shlomi, der CEO und Mitbegründer von LightSolver, konzentriert sich auf die Laserbearbeitung als Vorteil des Quantencomputings.

Unternehmen sind ständig bestrebt, ihre Effizienz zu verbessern, die Produktivität zu steigern und Kosten zu senken. In vielen Fällen hängt das Erreichen dieser Ziele jedoch von konsequenten Optimierungsfähigkeiten ab. Nehmen Sie zum Beispiel die Zustellung auf der letzten Meile oder die Entsendung eines Teams von Servicetechnikern an Hunderte von Standorten: Um hocheffiziente Routen und Zeitpläne zu erstellen, müssen Unternehmen kombinatorische Optimierungsprobleme lösen. Die Herausforderung bei dieser Art von Berechnungen besteht darin, dass sie NP-hart sind, was bedeutet, dass sie mit zunehmender Anzahl von Variablen und Einschränkungen exponentiell zunehmen. Es sind zum Beispiel mehr als 1094 Möglichkeiten, 10 Arbeitsplätze auf ein Team von sieben Außendiensttechnikern zu verteilen – eine Problemgröße, die die Fähigkeiten aktueller Computer übersteigt.

Während klassische Supercomputer offenbar ihre Rechengrenzen erreicht haben, sind Quantencomputer noch nicht skalierbar oder für die Lösung komplexer realer Probleme geeignet. Was wir brauchen, ist eine bessere Methode zur Lösung solcher Probleme jetzt an – und nicht nur logistische Herausforderungen, sondern Probleme, die von der Optimierung des Finanzportfolios und der Verbesserung der Risikomodellierung bis hin zur Arzneimittelentwicklung und verbesserten Materialwissenschaft reichen.

Glücklicherweise gibt es heute eine neue, von Quanten inspirierte Technologie, die die Leistung von Lasern nutzt, um schneller zu rechnen als die leistungsstärksten klassischen Computer und Quantencomputer. Dieses neue Computerparadigma ist frei von elektronischen Komponenten, verspricht, die Grenzen des klassischen Hochleistungsrechnens (HPC) zu überwinden und bietet eine praktischere Lösung als Quantencomputer zur Lösung komplizierter Optimierungsprobleme.

Jenseits der Grenzen von HPC und Quanten

Klassische Computer lösen Optimierungsprobleme mithilfe von Näherungstechniken, was zu Lösungen mit eingeschränkter Qualität und Verarbeitungszeiten führt, die exponentiell mit der Größe des Problems ansteigen und schnell die Obergrenzen heutiger HPCs überschreiten. Sogar die Mächtigsten Supercomputer mit einer Leistung von mehr als hundert Billiarden FLOPS könnten an ihre Grenzen stoßen und erfordern außerdem unhaltbare Mengen an Strom und Kühlung. Daher können viele Unternehmen die Fülle an Daten, die heute verfügbar sind, nicht nutzen und ihr Geschäft wirklich verbessern.

Quantencomputer sind vielversprechend, aber noch nicht erschwinglich oder skalierbar. Sie stehen auch vor nicht trivialen technischen Herausforderungen, wie etwa dem Bedarf an Ultrahochvakuumumgebungen, speziellen Komponenten und komplizierten Stabilisierungssystemen unter ultrakalten Bedingungen. Trotz der Bemühungen, diese anspruchsvollen Anforderungen zu erfüllen, sind Quantencomputer weiterhin fehleranfällig und führen zu einem entsprechenden Rückgang der Zuverlässigkeit und Genauigkeit.

Einige Quanten-Annealer sind mittlerweile in der Cloud verfügbar, aber die meisten von ihnen leiden aufgrund der begrenzten Konnektivität unter Leistungs- und Skalierbarkeitsproblemen, was ihre Fähigkeit beeinträchtigt, komplexe Probleme der realen Welt effizient zu lösen.

Eine helle Lösung per Laser

Die Laserbearbeitung ist ein neuartiges Rechenparadigma, bei dem gekoppelte Laser für Rechenaufgaben eingesetzt werden. Es erfordert keine elektronischen Komponenten und bietet zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Computeransätzen, wie z. B. schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeit, höhere Genauigkeit, geringer Stromverbrauch, Skalierbarkeit und Betrieb unter Umgebungsbedingungen.

Wie funktioniert es?

Laser können mathematische Probleme lösen, die als quadratische unbeschränkte binäre Optimierung (QUBO) oder als Ising-Modell ausgedrückt werden können. Bei der Laserberechnung werden die Randbedingungen des Problems in die relativen Phasen der Laser kodiert. Die Phasenzustände interagieren dann, indem sie Licht von und zwischen jedem Laser auf kontrollierbare Weise beugen, was durch ein eng gekoppeltes Laserarray ermöglicht wird. Dieses Design gewährleistet eine vollständige Konnektivität zwischen allen Lasern und ermöglicht paarweise All-to-All-Spin-Interaktionen innerhalb eines Geräts in Desktop-Größe.

Aufgrund der Wellennatur von Lasern und eines speziellen Kartierungsprozesses konvergieren die Laserstrahlen nahtlos in den Zustand mit minimalem Energieverlust, der der Lösung des Problems entspricht und von einer Kamera gelesen werden kann. Das Beste daran: Ähnlich wie Quantencomputer können Laser verschiedene Lösungen parallel berechnen und so Ergebnisse mit Lichtgeschwindigkeit berechnen, deutlich schneller als andere Techniken.

Im Gegensatz zu Quantensystemen ist ein laserbasierter Supercomputer jedoch unempfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen und muss nicht im Ultrahochvakuum betrieben werden. Es weist außerdem eine bemerkenswerte Skalierbarkeit auf, ohne dass eine Vergrößerung der Gerätegröße erforderlich ist. Die kompakte Größe von Laserbearbeitungslösungen, die aus leicht erhältlichen kommerziellen Komponenten bestehen, erleichtert auch deren Zugänglichkeit. All diese Vorteile ebnen den Weg für eine breitere Akzeptanz, nicht nur für On-Prem-Anwendungen, sondern auch für IoT-Anwendungsfälle wie autonome Fahrzeuge sowie den Feldeinsatz auf Bohrinseln und anderen abgelegenen Standorten.

Ein Blick in die Zukunft der Laserbearbeitung

In aktuellen Benchmarks hat die Laserbearbeitung ihre Fähigkeit unter Beweis gestellt, NP-harte Probleme zu lösen. Dies ist eine monumentale Leistung und ein erster Hinweis darauf, dass die Laserbearbeitung über ein enormes Rechenpotenzial verfügt. Während es sich weiterentwickelt und weiterentwickelt, könnte es den Bereich der Informatik revolutionieren und Probleme lösen, die einst als unlösbar galten.

Große Technologieunternehmen wie IBM, Microsoft und Google rennen eilig darum, zuverlässige Quantencomputer zu bauen, aber dieses neue Paradigma, das bestehende, bewährte Lasertechnologie nutzt, löst heute reale Probleme. Es kann Unternehmen dabei helfen, Ressourcen zu schonen, den Umsatz zu steigern und den Energieverbrauch zu senken – Fähigkeiten, die im aktuellen wirtschaftlich schwierigen Umfeld dringend benötigt werden. Die Laserbearbeitung wird zu einem integralen Bestandteil der Supercomputing-Landschaft und ist gut positioniert, um in den kommenden Jahren sowohl HPC als auch Quantencomputing zu überholen.

Ruti Ben-Shlomi, PhD, ist Physikerin und CEO von LightSolver, das sie 2020 gemeinsam mit Dr. Chene Tradonsky gründete, nachdem sie die erste LPU erfunden hatte. Vorher LightSolverRuti promovierte 2019 in Quanten- und Atom-/Molekülphysik am Weizmann Institute of Science in Israel. Im Jahr 2011 erhielt sie ihren MSc in Physik von der Ben-Gurion-Universität des Negev, nachdem sie ein System aus ultrakalten Atomen von Grund auf entworfen und gebaut hatte. Zwischen seinen Abschlüssen war Ruti als Prozessingenieur für Intel tätig.

Kategorien:
Gastartikel, Photonik, Quantencomputing, Forschungsprojekte

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-Laser, LightSolver, Ruti Ben-Shlomi