Rubrica pentru invitați Quantum Particulars: „Dincolo de HPC, înainte de Quantum: Procesarea laser apare ca soluție revoluționară pentru provocările complexe de optimizare”

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Ruti Ben-Shlomi, CEO și co-fondator al Lightsolver discută despre modul în care progresia laserului a afectat calculul cuantic.

By Autor invitat postat la 18 aprilie 2024

„Detalii cuantice” este o coloană editorială pentru invitați, care conține perspective exclusive și interviuri cu cercetători, dezvoltatori și experți cuantici care analizează provocările și procesele cheie din acest domeniu. Acest articol, scris de Ruti Ben-Shlomi, CEO-ul și co-fondatorul LightSolver, se concentrează pe procesarea laser ca un avantaj al calculului cuantic.

Companiile caută în mod constant să îmbunătățească eficiența, să crească productivitatea și să reducă costurile. În multe cazuri, însă, atingerea acestor obiective depinde de capabilități riguroase de optimizare. Luați, de exemplu, livrarea pe ultimul kilometru sau trimiterea unei echipe de tehnicieni de service în sute de locații: pentru a crea rute și programe extrem de eficiente, companiile trebuie să rezolve probleme de optimizare combinatorie. Provocarea cu acest tip de calcul este că sunt NP-hard, ceea ce înseamnă că cresc exponențial pe măsură ce crește numărul de variabile și constrângeri. De exemplu, sunt mai mult de 1094 modalități de a aloca 10 locuri de muncă într-o echipă de șapte tehnicieni de service pe teren – o dimensiune a problemei care depășește capacitățile computerelor actuale.

În timp ce supercalculatoarele clasice par să fi atins limita lor de calcul, calculatoarele cuantice nu sunt încă scalabile sau practice pentru rezolvarea unor probleme complexe din lumea reală. Ceea ce avem nevoie este o metodă mai bună de a rezolva astfel de probleme acum – și nu doar provocări de logistică, ci și probleme care acoperă gama de la optimizarea portofoliului financiar și îmbunătățirea modelării riscurilor până la descoperirea medicamentelor și știința materialelor îmbunătățită.

Din fericire, există o nouă tehnologie de inspirație cuantică disponibilă astăzi, care valorifică puterea laserelor pentru a calcula mai rapid decât cele mai puternice computere clasice și cuantice. Această nouă paradigmă de calcul este lipsită de componente electronice, promite să depășească limitele calculului clasic de înaltă performanță (HPC) și oferă o soluție mai practică decât calculul cuantic pentru rezolvarea problemelor complicate de optimizare.

Dincolo de limitele HPC și Quantum

Calculatoarele clasice abordează problemele de optimizare folosind tehnici de aproximare, rezultând soluții de calitate compromisă și timpi de procesare care cresc exponențial odată cu dimensiunea problemei, depășind rapid limitele superioare ale HPC-urilor actuale. Chiar și cel mai puternic supercalculatoarele, cu o performanță care depășește o sută de cvadrilioane FLOPS, pot lovi un perete și necesită, de asemenea, cantități nesustenabile de putere și răcire. Drept urmare, multe companii nu pot profita de abundența de date disponibilă astăzi și își pot îmbunătăți cu adevărat afacerea.

Calculatoarele cuantice sunt foarte promițătoare, dar nu sunt încă accesibile sau scalabile. Ei au, de asemenea, provocări de inginerie non-triviale, cum ar fi nevoia de medii cu vid ultra-înalt, componente specializate și sisteme complexe de stabilizare care implică condiții ultra-reci. În ciuda eforturilor de a răspunde acestor cerințe solicitante, calculatoarele cuantice rămân predispuse la erori și la o scădere corespunzătoare a fiabilității și preciziei.

Unele recoacere cuantice sunt acum disponibile în cloud, dar majoritatea dintre ele suferă provocări de performanță și scalabilitate din cauza conectivității limitate, care le împiedică capacitatea de a aborda eficient probleme complexe din lumea reală.

O soluție strălucitoare prin laser

Procesarea laser este o nouă paradigmă de calcul care utilizează lasere cuplate pentru sarcini de calcul. Nu necesită componente electronice și oferă numeroase avantaje față de abordările de calcul convenționale, cum ar fi viteză mai rapidă de procesare, precizie îmbunătățită, consum redus de energie, scalabilitate și funcționare în condiții ambientale.

Cum functioneazã?

Laserele pot rezolva probleme de matematică care pot fi exprimate ca o optimizare binară neconstrânsă pătratică (QUBO) sau model Ising. Calculul cu laser funcționează prin codificarea constrângerilor problemei în fazele relative ale laserelor. Stările de fază interacționează apoi prin difracția luminii de la și între fiecare laser într-un mod controlabil, facilitat de o matrice laser cuplată strâns. Acest design asigură conectivitate completă între toate laserele, permițând interacțiuni de rotație în perechi, all-to-all, într-un dispozitiv de dimensiuni desktop.

Datorită naturii ondulatorii a laserelor și a unui proces specializat de cartografiere, fasciculele laser converg fără probleme către starea de pierdere minimă de energie care corespunde soluției problemei și care poate fi citită de o cameră. Cel mai bine, la fel ca computerele cuantice, laserele pot calcula diferite soluții în paralel, calculând astfel rezultatele la viteza luminii, mult mai rapid decât alte tehnici.

Spre deosebire de sistemele cuantice, totuși, un supercomputer bazat pe laser nu este sensibil la condițiile de mediu și nu trebuie să funcționeze într-un vid ultra-înalt. De asemenea, demonstrează o scalabilitate remarcabilă fără a necesita o creștere a dimensiunii dispozitivului. Dimensiunea compactă a soluțiilor de procesare cu laser, care sunt construite cu componente comerciale ușor disponibile, facilitează și accesibilitatea acestora. Toate aceste beneficii deschid calea pentru o adoptare mai largă, nu doar pentru aplicațiile on-prem, ci și pentru cazuri de utilizare IoT, cum ar fi vehiculele autonome, precum și implementarea pe teren pe platforme petroliere și alte locații îndepărtate.

Privind în viitor la procesarea laser

În reperele recente, procesarea laser și-a demonstrat capacitatea de a rezolva probleme NP-hard. Aceasta este o realizare monumentală, dând un indiciu timpuriu că procesarea laser are un potențial de calcul masiv. Pe măsură ce continuă să se dezvolte și să evolueze, ar putea revoluționa domeniul de calcul și ar putea rezolva probleme care odată erau considerate de nerezolvat.

Companiile mari de tehnologie precum IBM, Microsoft și Google se grăbesc să construiască computere cuantice fiabile, dar această nouă paradigmă care utilizează tehnologia laser existentă și dovedită rezolvă problemele din lumea reală astăzi. Poate ajuta companiile să conserve resurse, să mărească veniturile și să reducă consumul de energie, capabilități care sunt extrem de necesare în climatul actual dificil din punct de vedere economic. Procesarea cu laser devine o parte integrantă a peisajului supercalculaturii și este bine poziționată pentru a depăși atât HPC, cât și calculul cuantic în următorii ani.

Ruti Ben-Shlomi, PhD, este fizician și CEO al LightSolver, pe care l-a fondat împreună cu Dr. Chene Tradonsky în 2020, după ce a inventat primul LPU. Înaintea LightSolver, Ruti și-a luat doctoratul în fizică cuantică și atomică/moleculară în 2019 de la Institutul de Știință Weizmann din Israel. În 2011, ea și-a luat masterul în fizică de la Universitatea Ben-Gurion din Negev, după ce a proiectat și construit un sistem de atomi ultrareci de la zero. Între grade, Ruti a servit ca inginer de proces pentru Intel.

Categorii:
Articol invitat, fotonică, cuantic calcul, cercetare

Etichete:
lasere, LightSolver, Ruti Ben-Shlomi