Colonna degli ospiti di Quantum Particulars: "Oltre l'HPC, davanti alla quantistica: l'elaborazione laser emerge come la soluzione rivoluzionaria per le complesse sfide di ottimizzazione"

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Ruti Ben-Shlomi, CEO e co-fondatore di Lightsolver, parla dell'impatto della progressione del laser sull'informatica quantistica.

By Autore ospite pubblicato il 18 aprile 2024

"Quantum Particulars" è una rubrica editoriale che presenta approfondimenti esclusivi e interviste con ricercatori, sviluppatori ed esperti quantistici che esaminano le sfide e i processi chiave in questo campo. Questo articolo, scritto da Ruti Ben-Shlomi, il CEO e co-fondatore di LightSolver, si concentra sull'elaborazione laser come vantaggio dell'informatica quantistica.

Le aziende sono costantemente alla ricerca di migliorare l’efficienza, aumentare la produttività e ridurre i costi. In molti casi, tuttavia, il raggiungimento di questi obiettivi dipende da rigorose capacità di ottimizzazione. Prendiamo ad esempio la consegna dell'ultimo miglio o l'invio di un team di tecnici dell'assistenza in centinaia di località: per creare percorsi e orari altamente efficienti, le aziende devono risolvere problemi di ottimizzazione combinatoria. La sfida con questo tipo di calcolo è che sono NP-hard, il che significa che aumentano esponenzialmente al crescere del numero di variabili e vincoli. Ad esempio, ce ne sono più di 1094 modalità di assegnazione di 10 posti di lavoro tra un team di sette tecnici di assistenza sul campo: una dimensione del problema che supera le capacità dei computer attuali.

Mentre i supercomputer classici sembrano aver raggiunto il loro limite computazionale, i computer quantistici non sono ancora scalabili o pratici per risolvere problemi complessi del mondo reale. Ciò di cui abbiamo bisogno è un metodo migliore per risolvere tali problemi adesso – e non solo sfide logistiche, ma problemi che vanno dall’ottimizzazione del portafoglio finanziario e dal miglioramento della modellazione del rischio alla scoperta di farmaci e al miglioramento della scienza dei materiali.

Fortunatamente, oggi è disponibile una nuova tecnologia di ispirazione quantistica che sfrutta la potenza dei laser per elaborare più velocemente dei più potenti computer classici e quantistici. Questo nuovo paradigma informatico è privo di componenti elettronici, promette di trascendere i limiti del classico calcolo ad alte prestazioni (HPC) e offre una soluzione più pratica rispetto al calcolo quantistico per risolvere complicati problemi di ottimizzazione.

Oltre i limiti dell'HPC e della quantistica

I computer classici affrontano problemi di ottimizzazione utilizzando tecniche di approssimazione, ottenendo soluzioni di qualità compromessa e tempi di elaborazione che aumentano esponenzialmente con le dimensioni del problema, superando rapidamente i limiti superiori degli odierni HPC. Anche i più potenti i supercomputer, che vantano prestazioni superiori a cento quadrilioni di FLOPS, potrebbero sbattere contro un muro e richiedono anche quantità insostenibili di energia e raffreddamento. Di conseguenza, molte aziende non possono sfruttare l'abbondanza di dati oggi disponibili e migliorare realmente la propria attività.

I computer quantistici sono molto promettenti ma non sono ancora accessibili o scalabili. Presentano anche sfide ingegneristiche non banali, come la necessità di ambienti con vuoto ultra-alto, componenti specializzati e complessi sistemi di stabilizzazione che coinvolgono condizioni ultra-fredde. Nonostante gli sforzi per soddisfare questi requisiti impegnativi, i computer quantistici rimangono soggetti a errori e a una corrispondente diminuzione di affidabilità e precisione.

Alcuni ricottori quantistici sono ora disponibili nel cloud, ma la maggior parte di essi presenta problemi di prestazioni e scalabilità a causa della connettività limitata, che ostacola la loro capacità di affrontare in modo efficiente problemi complessi del mondo reale.

Una soluzione brillante tramite laser

L'elaborazione laser è un nuovo paradigma informatico che impiega laser accoppiati per attività computazionali. Non richiede componenti elettronici e offre numerosi vantaggi rispetto agli approcci informatici convenzionali, come velocità di elaborazione più rapida, maggiore precisione, basso consumo energetico, scalabilità e funzionamento in condizioni ambientali.

Come funziona?

I laser possono risolvere problemi di matematica che possono essere espressi come ottimizzazione binaria quadratica non vincolata (QUBO) o modello di Ising. Il laser computing funziona codificando i vincoli del problema nelle relative fasi dei laser. Gli stati di fase interagiscono quindi diffrangendo la luce da e tra ciascun laser in modo controllabile, facilitato da una matrice laser strettamente accoppiata. Questo design garantisce una connettività completa tra tutti i laser, consentendo interazioni di rotazione tutti a tutti a coppie all'interno di un dispositivo di dimensioni desktop.

Grazie alla natura ondulatoria dei laser e ad un processo di mappatura specializzato, i raggi laser convergono senza soluzione di continuità verso lo stato di minima perdita di energia che corrisponde alla soluzione del problema e che può essere letto da una telecamera. Soprattutto, analogamente ai computer quantistici, i laser possono calcolare diverse soluzioni in parallelo, calcolando così i risultati alla velocità della luce, significativamente più velocemente di altre tecniche.

A differenza dei sistemi quantistici, però, un supercomputer basato su laser non è sensibile alle condizioni ambientali e non ha bisogno di funzionare in un vuoto ultra spinto. Dimostra inoltre una notevole scalabilità senza richiedere un aumento delle dimensioni del dispositivo. Anche le dimensioni compatte delle soluzioni di elaborazione laser, realizzate con componenti commerciali facilmente disponibili, ne facilitano l'accessibilità. Tutti questi vantaggi aprono la strada a un’adozione più ampia, non solo per le applicazioni on-premise, ma anche per casi d’uso dell’IoT come veicoli autonomi, nonché per l’implementazione sul campo su piattaforme petrolifere e altre località remote.

Uno sguardo al futuro della lavorazione laser

In recenti benchmark, la lavorazione laser ha dimostrato la sua capacità di risolvere problemi NP-hard. Si tratta di un risultato monumentale, che fornisce una prima indicazione del fatto che la lavorazione laser ha un enorme potenziale informatico. Mentre continua a svilupparsi ed evolversi, potrebbe rivoluzionare il campo dell’informatica e risolvere problemi che un tempo erano ritenuti irrisolvibili.

Le grandi aziende tecnologiche come IBM, Microsoft e Google stanno correndo frettolosamente per costruire computer quantistici affidabili, ma questo nuovo paradigma che utilizza la tecnologia laser esistente e comprovata sta risolvendo i problemi del mondo reale oggi. Può aiutare le aziende a conservare le risorse, aumentare i ricavi e ridurre il consumo di energia, capacità estremamente necessarie nell’attuale clima economicamente difficile. L’elaborazione laser sta diventando parte integrante del panorama del supercalcolo ed è ben posizionata per superare sia l’HPC che l’informatica quantistica nei prossimi anni.

Ruti Ben Shlomi, PhD, è una fisica e CEO di LightSolver, che ha co-fondato con il Dr. Chene Tradonsky nel 2020 dopo aver inventato la prima LPU. Precedente a Risolutore di luce, Ruti ha conseguito il dottorato di ricerca in fisica quantistica e atomica/molecolare nel 2019 presso il Weizmann Institute of Science in Israele. Nel 2011, ha conseguito il Master in fisica presso l'Università Ben-Gurion del Negev dopo aver progettato e costruito da zero un sistema di atomi ultrafreddi. Tra una laurea e l'altra, Ruti ha lavorato come ingegnere di processo per Intel.

Categorie:
Articolo ospite, fotonica, calcolo quantistico, riparazioni

Tag:
Luxinar SR AOM, Risolutore di luce, Ruti Ben Shlomi