Kolumna gościnna Quantum Partculars: „Poza HPC, przed kwantem: obróbka laserowa staje się przełomowym rozwiązaniem dla złożonych wyzwań optymalizacyjnych” – Inside Quantum Technology

„Quantum Partculars” to gościnna kolumna redakcyjna zawierająca ekskluzywne spostrzeżenia i wywiady z badaczami kwantowymi, programistami i ekspertami przyglądającymi się kluczowym wyzwaniom i procesom w tej dziedzinie. Ten artykuł, napisany przez Ruti Ben-Shlomi, dyrektor generalny i współzałożyciel firmy LightSolver, koncentruje się na przetwarzaniu laserowym jako przewadze obliczeń kwantowych. 

Firmy nieustannie dążą do poprawy wydajności, zwiększenia produktywności i obniżenia kosztów. Jednak w wielu przypadkach osiągnięcie tych celów zależy od rygorystycznych możliwości optymalizacji. Weźmy na przykład dostawę „ostatniej mili” lub wysłanie zespołu techników serwisowych do setek lokalizacji: aby utworzyć wysoce wydajne trasy i harmonogramy, firmy muszą rozwiązać problemy optymalizacji kombinatorycznej. Wyzwaniem związanym z tego typu obliczeniami jest to, że są one NP-trudne, co oznacza, że ​​rosną wykładniczo wraz ze wzrostem liczby zmiennych i ograniczeń. Na przykład jest ich więcej niż 1094 sposoby podziału 10 stanowisk pracy w zespół siedmiu serwisantów terenowych – wielkość problemu przekraczająca możliwości obecnych komputerów.

Chociaż wydaje się, że klasyczne superkomputery osiągnęły swój limit obliczeniowy, komputery kwantowe nie są jeszcze skalowalne ani praktyczne do rozwiązywania złożonych problemów świata rzeczywistego. Potrzebujemy lepszej metody rozwiązywania takich problemów już dziś – i nie tylko wyzwania logistyczne, ale także problemy obejmujące całą gamę problemów, od optymalizacji portfela finansowego i ulepszenia modelowania ryzyka po odkrywanie leków i udoskonaloną naukę o materiałach.

Na szczęście dostępna jest dziś nowa technologia inspirowana technologią kwantową, która wykorzystuje moc laserów do obliczeń szybszych niż najpotężniejsze komputery klasyczne i kwantowe. Ten nowy paradygmat obliczeń jest wolny od komponentów elektronicznych, ma szansę przekroczyć ograniczenia klasycznego przetwarzania o wysokiej wydajności (HPC) i oferuje bardziej praktyczne rozwiązanie niż obliczenia kwantowe w zakresie rozwiązywania skomplikowanych problemów optymalizacyjnych.

Poza granicami HPC i Quantum

Klasyczne komputery rozwiązują problemy optymalizacyjne za pomocą technik aproksymacyjnych, co skutkuje rozwiązaniami o pogorszonej jakości i czasie przetwarzania, które rosną wykładniczo wraz z rozmiarem problemu, szybko przekraczając górne granice dzisiejszych HPC. Nawet najpotężniejszy superkomputery, mogące pochwalić się wydajnością przekraczającą sto biliardów FLOPS, mogą uderzyć w ścianę a także wymagają niezrównoważonych ilości energii i chłodzenia. W rezultacie wiele firm nie jest w stanie wykorzystać obfitości dostępnych obecnie danych i naprawdę usprawnić swoją działalność. 

Komputery kwantowe są bardzo obiecujące, ale nie są jeszcze dostępne ani skalowalne. Stoją przed nimi także nietrywialne wyzwania inżynieryjne, takie jak zapotrzebowanie na środowiska o bardzo wysokiej próżni, wyspecjalizowane komponenty i skomplikowane systemy stabilizacji w bardzo niskich temperaturach. Pomimo wysiłków mających na celu spełnienie tych rygorystycznych wymagań, komputery kwantowe pozostają podatne na błędy i związany z tym spadek niezawodności i dokładności.

Niektóre urządzenia do wyżarzania kwantowego są obecnie dostępne w chmurze, ale większość z nich boryka się z problemami związanymi z wydajnością i skalowalnością ze względu na ograniczoną łączność, co utrudnia ich zdolność do skutecznego rozwiązywania złożonych problemów w świecie rzeczywistym.

Jasne rozwiązanie za pomocą lasera

Przetwarzanie laserowe to nowatorski paradygmat obliczeniowy, w którym do zadań obliczeniowych wykorzystuje się sprzężone lasery. Nie wymaga żadnych komponentów elektronicznych i oferuje liczne zalety w porównaniu z konwencjonalnymi podejściami obliczeniowymi, takie jak większa prędkość przetwarzania, zwiększona dokładność, niskie zużycie energii, skalowalność i działanie w warunkach otoczenia. 

Jak to działa?

Lasery mogą rozwiązywać problemy matematyczne, które można wyrazić jako kwadratową nieograniczoną optymalizację binarną (QUBO) lub model Isinga. Obliczenia laserowe działają poprzez kodowanie ograniczeń problemu we względnych fazach laserów. Następnie stany fazowe oddziałują na siebie poprzez ugięcie światła od każdego lasera i pomiędzy nimi w kontrolowany sposób, co ułatwia ściśle sprzężony układ laserów. Taka konstrukcja zapewnia pełną łączność pomiędzy wszystkimi laserami, umożliwiając parami interakcje typu „wszystko ze wszystkimi” w urządzeniu wielkości komputera stacjonarnego. 

Dzięki falowej naturze laserów i specjalistycznemu procesowi mapowania wiązki laserowe płynnie zbiegają się w kierunku stanu minimalnej utraty energii, który odpowiada rozwiązaniu problemu i który może zostać odczytany przez kamerę. Co najlepsze, podobnie jak komputery kwantowe, lasery mogą obliczać różne rozwiązania równolegle, obliczając w ten sposób wyniki z prędkością światła, znacznie szybciej niż inne techniki.

Jednak w przeciwieństwie do systemów kwantowych superkomputer laserowy nie jest wrażliwy na warunki środowiskowe i nie musi działać w ultrawysokiej próżni. Wykazuje również niezwykłą skalowalność bez konieczności zwiększania rozmiaru urządzenia. Kompaktowy rozmiar rozwiązań do obróbki laserowej, które są zbudowane z łatwo dostępnych na rynku komponentów, również ułatwia ich dostępność. Wszystkie te korzyści torują drogę do szerszego zastosowania, nie tylko w zastosowaniach lokalnych, ale także w zastosowaniach IoT, takich jak pojazdy autonomiczne, a także wdrożeniu w terenie na platformach wiertniczych i innych odległych lokalizacjach. 

Patrząc w przyszłość na obróbkę laserową

W ostatnich testach porównawczych obróbka laserowa wykazała zdolność do rozwiązywania problemów NP-trudnych. Jest to monumentalne osiągnięcie, które wcześnie wskazuje, że obróbka laserowa ma ogromny potencjał obliczeniowy. W miarę ciągłego rozwoju i ewolucji może zrewolucjonizować dziedzinę informatyki i rozwiązać problemy, które kiedyś uważano za nierozwiązywalne. 

Duże firmy technologiczne, takie jak IBM, Microsoft i Google, pośpiesznie ścigają się w budowaniu niezawodnych komputerów kwantowych, ale ten nowy paradygmat wykorzystujący istniejącą, sprawdzoną technologię laserową rozwiązuje dziś rzeczywiste problemy. Może pomóc firmom oszczędzać zasoby, zwiększać przychody i zmniejszać zużycie energii, a są to funkcje, które są bardzo potrzebne w obecnych trudnych gospodarczo warunkach. Przetwarzanie laserowe staje się integralną częścią krajobrazu superkomputerów i ma dobrą pozycję, aby w nadchodzących latach wyprzedzić zarówno obliczenia HPC, jak i obliczenia kwantowe.

Ruti Ben Szlomi, doktor nauk humanistycznych, jest fizykiem i dyrektorem generalnym firmy LightSolver, którą założyła wraz z dr Chene Tradonsky w 2020 r. po wynalezieniu pierwszego LPU. przed LightSolver, Ruti uzyskała stopień doktora w dziedzinie fizyki kwantowej i atomowej/molekularnej w 2019 r. w Instytucie Nauki Weizmanna w Izraelu. W 2011 roku uzyskała tytuł magistra fizyki na Uniwersytecie Ben Guriona w Negewie po zaprojektowaniu i zbudowaniu od podstaw układu ultrazimnych atomów. Pomiędzy stopniami Ruti pracował jako inżynier ds. procesów w firmie Intel. 

Kategorie:
Artykuł gościnny, fotonika, informatyka kwantowa, Badania naukowe

tagi:
Lasery, LightSolver, Ruti Ben Szlomi

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/quantum-particulars-guest-column-beyond-hpc-ahead-of-quantum-laser-processing-emerges-as-the-breakthrough-solution-for-complex-optimization-challenges/