Columna invitada de Quantum Particulars: "Más allá de HPC, por delante de Quantum: el procesamiento láser emerge como la solución innovadora para desafíos de optimización complejos"

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Ruti Ben-Shlomi, directora ejecutiva y cofundadora de Lightsolver, analiza cómo la progresión del láser ha impactado la computación cuántica.

By Autor Invitado publicado el 18 abr 2024

"Quantum Particulars" es una columna editorial invitada que presenta ideas exclusivas y entrevistas con investigadores, desarrolladores y expertos cuánticos que analizan los desafíos y procesos clave en este campo. Este artículo, escrito por Ruti Ben-Shlomi, el CEO y cofundador de solucionador de luz, se centra en el procesamiento láser como una ventaja de la computación cuántica.

Las empresas buscan constantemente mejorar la eficiencia, aumentar la productividad y reducir costos. Sin embargo, en muchos casos, lograr estos objetivos depende de capacidades de optimización rigurosas. Tomemos como ejemplo la entrega de última milla o el envío de un equipo de técnicos de servicio a cientos de ubicaciones: para crear rutas y horarios altamente eficientes, las empresas deben resolver problemas de optimización combinatoria. El desafío de este tipo de cálculo es que son NP-difíciles, lo que significa que aumentan exponencialmente a medida que crece el número de variables y restricciones. Por ejemplo, hay más de 1094 formas de asignar 10 puestos de trabajo entre un equipo de siete técnicos de servicio de campo: un tamaño de problema que excede las capacidades de las computadoras actuales.

Si bien las supercomputadoras clásicas parecen haber alcanzado su límite computacional, las computadoras cuánticas aún no son escalables ni prácticas para resolver problemas complejos del mundo real. Lo que necesitamos es un método mejor para resolver estos problemas. ahora – y no solo desafíos logísticos, sino problemas que abarcan desde la optimización de la cartera financiera y la mejora de los modelos de riesgo hasta el descubrimiento de fármacos y la ciencia de materiales mejorada.

Afortunadamente, hoy en día existe una nueva tecnología de inspiración cuántica que aprovecha el poder de los láseres para calcular más rápido que las computadoras clásicas y cuánticas más potentes. Este nuevo paradigma informático está libre de componentes electrónicos, promete trascender las limitaciones de la informática clásica de alto rendimiento (HPC) y ofrece una solución más práctica que la computación cuántica para resolver complicados problemas de optimización.

Más allá de los límites de HPC y Quantum

Las computadoras clásicas abordan problemas de optimización utilizando técnicas de aproximación, lo que resulta en soluciones de calidad comprometida y tiempos de procesamiento que aumentan exponencialmente con el tamaño del problema, superando rápidamente los límites superiores de las HPC actuales. Incluso los más poderosos Las supercomputadoras, con un rendimiento que supera los cien mil billones de FLOPS, pueden chocar contra una pared y también requieren cantidades insostenibles de energía y refrigeración. Como resultado, muchas empresas no pueden aprovechar la abundancia de datos disponibles hoy en día y mejorar realmente su negocio.

Las computadoras cuánticas son muy prometedoras, pero aún no son asequibles ni escalables. También enfrentan desafíos de ingeniería no triviales, como la necesidad de entornos de vacío ultra alto, componentes especializados y sistemas de estabilización complejos que involucran condiciones ultra frías. A pesar de los esfuerzos por abordar estos exigentes requisitos, las computadoras cuánticas siguen siendo propensas a errores y a la correspondiente disminución de su confiabilidad y precisión.

Algunos recocidos cuánticos ahora están disponibles en la nube, pero la mayoría de ellos enfrentan desafíos de rendimiento y escalabilidad debido a una conectividad limitada, lo que dificulta su capacidad para abordar de manera eficiente problemas complejos del mundo real.

Una solución brillante mediante láser

El procesamiento láser es un paradigma informático novedoso que emplea láseres acoplados para tareas computacionales. No requiere componentes electrónicos y ofrece numerosas ventajas sobre los enfoques informáticos convencionales, como una velocidad de procesamiento más rápida, mayor precisión, bajo consumo de energía, escalabilidad y funcionamiento en condiciones ambientales.

¿Cómo Funciona?

Los láseres pueden resolver problemas matemáticos que pueden expresarse como una optimización binaria cuadrática sin restricciones (QUBO) o un modelo de Ising. La computación láser funciona codificando las limitaciones del problema en las fases relativas de los láseres. Luego, los estados de fase interactúan difractando la luz desde y entre cada láser de una manera controlable, facilitada por una matriz de láser estrechamente acoplada. Este diseño garantiza una conectividad completa entre todos los láseres, lo que permite interacciones de giro de todos a todos en pares dentro de un dispositivo del tamaño de una computadora de escritorio.

Debido a la naturaleza ondulatoria de los láseres y a un proceso de mapeo especializado, los rayos láser convergen sin problemas hacia el estado de pérdida mínima de energía que corresponde a la solución del problema y que puede ser leído por una cámara. Lo mejor de todo es que, al igual que las computadoras cuánticas, los láseres pueden calcular diferentes soluciones en paralelo, calculando así los resultados a la velocidad de la luz, significativamente más rápido que otras técnicas.

Sin embargo, a diferencia de los sistemas cuánticos, una supercomputadora basada en láser no es sensible a las condiciones ambientales y no necesita funcionar en un vacío ultraalto. También demuestra una escalabilidad notable sin requerir un aumento en el tamaño del dispositivo. El tamaño compacto de las soluciones de procesamiento láser, que se construyen con componentes comerciales fácilmente disponibles, también facilita su accesibilidad. Todos estos beneficios allanan el camino para una adopción más amplia, no solo para aplicaciones locales, sino también para casos de uso de IoT como vehículos autónomos, así como implementación de campo en plataformas petrolíferas y otras ubicaciones remotas.

Mirando hacia el futuro en el procesamiento láser

En pruebas comparativas recientes, el procesamiento láser ha demostrado su capacidad para resolver problemas NP-difíciles. Se trata de un logro monumental, que proporciona una indicación temprana de que el procesamiento láser tiene un enorme potencial informático. A medida que continúe desarrollándose y evolucionando, podría revolucionar el campo de la informática y resolver problemas que antes se consideraban irresolubles.

Las grandes empresas de tecnología como IBM, Microsoft y Google están compitiendo apresuradamente para construir computadoras cuánticas confiables, pero este nuevo paradigma que utiliza tecnología láser probada y existente está resolviendo problemas del mundo real en la actualidad. Puede ayudar a las empresas a conservar recursos, aumentar los ingresos y reducir el consumo de energía, capacidades que son muy necesarias en el actual clima económicamente desafiante. El procesamiento láser se está convirtiendo en una parte integral del panorama de la supercomputación y está bien posicionado para superar tanto a la HPC como a la computación cuántica en los próximos años.

Ruti Ben-Shlomi, PhD, es física y directora ejecutiva de LightSolver, que cofundó con el Dr. Chene Tradonsky en 2020 después de inventar la primera LPU. Antes de Solucionador de luz, Ruti recibió su doctorado en física cuántica y atómica/molecular en 2019 en el Instituto Weizmann de Ciencias de Israel. En 2011, recibió su maestría en física de la Universidad Ben-Gurion del Negev después de diseñar y construir un sistema de átomos ultrafríos desde cero. Entre carreras, Ruti se desempeñó como ingeniera de procesos para Intel.

Categorías:
Artículo invitado, fotónica, computación cuántica, la investigación

Tags:
láseres, Solucionador de luz, Ruti Ben-Shlomi