NVIDIA superračunala pričaju kvantnu priču

Istraživanje objavljeno u znanstvenom časopisu Nature koristilo je superračunala s NVIDIA-om za potvrdu puta prema komercijalizaciji kvantnog računalstva. Istraživanje, koje je vodio dobitnik Nobelove nagrade Giorgio Parisi, fokusirano je na kvantno žarenje, metodu koja bi se jednog dana mogla uhvatiti u koštac sa složenim problemima optimizacije koji su neobično izazovni za konvencionalna računala.

Kako bi proveo svoje istraživanje, tim je iskoristio 2 milijuna GPU sati rada u pogonu Leonardo u Bologni, Italija, gotovo 160.000 GPU sati rada na Meluxina-GPU klasteru u Luksemburgu i 10.000 GPU sati iz španjolske Supercomputing Network. Osim toga, pristupili su klasteru Dariah u Lecceu u Italiji. Iskoristili su te resurse za simulaciju ponašanja određene vrste kvantnog računalnog sustava poznatog kao kvantni žaritelj.

Kvantna računala iz temelja promišljaju kako se informacije izračunavaju kako bi omogućila potpuno nova rješenja. Za razliku od klasičnih računala, koja obrađuju informacije u binarnom obliku, nulama i jedinicama, kvantna računala koriste kvantne bitove ili kubite koji mogu omogućiti obradu informacija na potpuno nove načine. Kvantni aparati za žarenje posebna su vrsta kvantnog računala koje, iako nije univerzalno korisno, može imati prednosti za rješavanje određenih vrsta problema optimizacije. Rad predstavlja značajan korak u razumijevanju faznog prijelaza, promjene svojstava kvantnog sustava, Isingovog spinskog stakla, neuređenog magnetskog materijala u dvodimenzionalnoj ravnini, kritičnog problema računalne fizike. Rad se bavi problemom kako svojstva magnetskih čestica raspoređenih u dvodimenzionalnoj ravnini mogu naglo promijeniti svoje ponašanje. Studija također pokazuje kako sustavi s GPU-om igraju ključnu ulogu u razvoju pristupa kvantnom računalstvu. GPU-ubrzane simulacije omogućuju istraživačima da razumiju ponašanje složenih sustava u razvoju kvantnih računala, osvjetljavajući putove naprijed koji najviše obećavaju.

Kvantni uređaji za žarenje, poput sustava koje je razvila pionirska tvrtka za kvantno računalstvo D-Wave, rade metodičkim smanjenjem magnetskog polja koje se primjenjuje na skup magnetski osjetljivih čestica. Kada je dovoljno jako, primijenjeno polje djelovat će na usklađivanje magnetske orijentacije čestica, slično kao što će željezne strugotine ravnomjerno stajati blizu šipkastog magneta. Ako se jakost polja mijenja dovoljno sporo, magnetske čestice će se rasporediti tako da minimiziraju energiju konačnog rasporeda. Pronalaženje ovog stabilnog stanja minimalne energije ključno je u posebno složenom i neuređenom magnetskom sustavu poznatom kao spin staklo budući da kvantni uređaji za žarenje mogu kodirati određene vrste problema u konfiguraciji minimalne energije spin stakla. Pronalaženje stabilnog rasporeda spin stakla tada rješava problem.

Razumijevanje ovih sustava pomaže znanstvenicima da razviju bolje algoritme za rješavanje teških problema oponašanjem načina na koji se priroda nosi sa složenošću i neredom. To je ključno za unaprjeđenje kvantnog žarenja i njegove primjene u rješavanju iznimno teških računalnih problema za koje trenutno nema poznatog učinkovitog rješenja, problema koji su sveprisutni u područjima od logistike do kriptografije. Za razliku od kvantnih računala s modelom vrata, koja rade primjenom slijeda kvantnih vrata, kvantni žarnici dopuštaju kvantnom sustavu da se slobodno razvija u vremenu. Ovo nije univerzalno računalo, ali može imati prednosti za rješavanje određenih skupova problema optimizacije u područjima primjene kao što su rutiranje vozila, optimizacija portfelja i savijanje proteina. Kroz opsežne simulacije provedene na NVIDIA GPU-ovima, istraživači su naučili kako se ključni parametri spin stakala koja čine kvantne kalere mijenjaju tijekom njihovog rada, omogućujući bolje razumijevanje načina korištenja ovih sustava za postizanje kvantnog ubrzanja važnih problema.