IBM QX şi IBM Q

Tendinte (de , May 15, 2018)

Numit iniţial ‘IBM QX’ (abreviere de la ‘IBM Quantum Experience’), programul public de calcul cuantic al companiei IBM, lansat în 2016, constă atât în sistemul real de calcul cuantic, cât şi în ecosistemul de resurse şi iniţiative prin care comunitatea internaţională este invitată să participe la acest proiect (vedeţia caseta). Şi putem spune că mixul acesta de concret experimental şi de emulaţie publică constituie o cale favorabilă dezvoltării ştiinţei şi tehnologiei ‘quantum computing’.

Dacă acea primă instalaţie de calcul cuantic (încă ezit să-i spun ‘calculator’) lucra pe 5 q-biţi, în mai 2017 compania IBM a inclus în programul QX şi un procesor de 16 q-biţi. Şi tot în prima parte a anului 2017 au fost aduse sistemului o serie de îmbunătăţiri: creşterea setului de interacţiuni (să le zicem operaţii?) pe doi q-biţi suportate de procesorul de 5 qubits; extinderea simulatorului pentru a suporta programe în limbajul de asamblare cuantică folosind topologii cu până la 12 qubits; API şi SDK Python adaptate pentru scrierea de cod pentru a fi experimentat pe simulatorul şi pe procesorul cuantic, etc. (Vă rog să îmi permiteţi să folosesc denuminea ‘q-bit / q-biţi’ în locul englezescului ‘qubit / qubits’, pentru o lizibilitate mai firească nouă, şi având o pronunţie identică.)

În septembrie 2017, un procesor pe 7 q-biţi din cadrul IBM Q a rezolvat problema structurii unei molecule de BeH2, hidrura de beriliu devenind astfel cea mai mare moleculă simulată pe un calculator cuantic.

 

<casetă:>IBM Quantum experience:

  • acces la resursele computaţionale ale unui nucleu de calcul cuantic real, existent în laboratorul IBM Quantum Computing, pentru testarea algoritmilor creaţi de utilizator;
  • o mulţime de documente de ghidare destinate celor care vor să înţeleagă principiile de lucru ale calculatoarelor cuantice, precum şi celor care vor să studieze şi să experimenteze algoritmi cuantici;
  • Quantum Composer – un software GUI prin care oricine poate crea un algoritm de program, sub formă de circuit cuantic (de “partitură grafică”, numită aici ‘quantum score’, pentru relaţia cu denumirea… muzicală a software-ului);
  • un simulator (să riscăm să-i spunem ‘compilator’?) pentru testarea algoritmilor creaţi cu ajutorul lui Quantum Composer;
  • racord via cloud la o comunitate de cercetători şi de entuziaşti preocupaţi de ‘quantum computing’. <casetă:>

Înapoi la teorie

Dar să ne amintim un pic de substratul hype-ului ‘quantum computing’! (Eventual revedeţi articolele pe care le-am scris despre subiect în revista ITTrends, numerele 10/2014, 12/2015, 6/2016, 2/2017, 11/2017.)

Încă de la începutul secolului 20 teoria cuantică dezvăluia o serie de aspecte deosebite ale particulelor elementare (atomi, electroni, nucleoni, fotoni, etc), aspecte ce revelau comportamente nebănuite, iar faptul avea să revoluţioneze ştiinţele materiei (fizica şi chimia). Însă de-abia spre sfârşitul secolului s-a pus problema folosirii acestor aspecte şi în tratarea informaticii: pe de o parte pentru că miniaturizarea continuă a circuitelor de procesare şi de memorare oricum converge către problematica submicroscopică a materiei; pe de altă parte pentru că apăruse speranţa că proprietatea de ‘superpoziţie’ a q-bitului ar putea în viitor constitui o soluţie pentru depăşirea limitărilor inerente atât modelului binar cât şi arhitecturii von Neumann.

Da, ştim (sau aflăm) că un q-bit poate fi în starea ‘|0⟩’ sau în starea ‘|1⟩’, dar el poate fi şi într-o combinaţie liniară a celor două stări, aceasta fiind superpoziţia. Desigur, când se prelevează mărimea fizică a stărilor cuantice |0⟩ sau |1⟩ (fie aceasta sarcina electrică sau spinul unei particule subatomice, ori starea unui foton) aceasta va corespunde stărilor logice clasice, 0 şi 1. (De altfel, în septembrie 2011 cercetătorii reuşeau pentru prima oară să realizeze un quantum computer experimental având arhitectura Von Neumann.) Însă potenţialul calculului cuantic nu constă în existenţa unei stări intermediare între 0 şi 1 (pentru că atunci ne-am întoarce la experimentele de logică ternară sau la calculatoarele analogice, care nu s-au dovedit tocmai viabile ca soluţie de viitor), ci în mulţimea scalată exponenţial de stări logice simultane (ceea ce s-ar putea simboliza prin expresia ‘de la |00…0 la |11…1‘ dacă am accepta că ne referim la un singur q-bit, ci nu la un cuvânt/grup/octet). Mai mult, extinzându-ne la grupul de q-biţi (de fapt, la grupul de particule/entităţi cuantice care materializează aceşti q-biţi) aflăm că multe dintre aceste superpoziţii vădesc dependenţe de stare, adică legături cuantice, numite în original entanglement, iar algoritmii de calcul cuantic ar putea exploata acest comportament. Undeva pe aici rezidă potenţialul de superioritate al calculatoarelor cuantice, acest potenţial vizând totuşi doar anumite tipuri de probleme (probabiliste, deterministe cu volume mari de iteraţii, etc). Însă aspectele acestea particulare sunt greu de înţeles (mai ales pentru cei ca mine, care au lucrat decenii întregi cu modelele binar şi van Neumann; şi se pare că nici specialiştii din domeniu nu reuşesc să explice lucrurile pe înţelesul tuturor). De aceea, este de admirat iniţiativa IBM de a deschide public poarta spre universul calculului cuantic.

Revenind la Q, IBM Q

Între timp ‘IBM QX’ a devenit ‘IBM Q’, şi nu este doar atât. În noiembrie 2017 compania anunţa că a construit un calculator cuantic pe 20 q-biţi şi că în curând va pune această maşină la dispoziţia publicului sub forma unui serviciu cloud, un serviciu comercial de această dată, ci nu gratuit cum fusese sistemul de 5 q-biţi. (Cu acea ocazie, IBM anunţa că a relizat şi un prototip experimental de 50 q-biţi, însă acela încă nu este pregătit să iasă în lume.) Din declaraţia de atunci a domnului Dario Gil, vicepreşedinte IBM Research, aflăm că scalarea numărului de q-biţi nu înseamnă doar scalarea ‘cuvintelor’, ci şi provocarea pe care o aduce fenomenul de entanglement pomenit mai sus (legăturile dintre stările particulelor cuantice învecinate), care fenomen constituie atât sursă de erori, cât şi, în extremis, o deviaţie exploatabilă algoritmic. De asemenea, se aminteşte faptul că starea utilă a particulelor cuantice implicate în procesare îşi păstrează coerenţa doar pentru un timp foarte scurt (după care q-biţii revin la starea clasică de 0 şi 1), iar acest interval este de 47-50 de microsecunde în cazul maşinii de 5 q-biţi, şi de 90 de microsecunde pentru maşina cea nouă.

În articolele anterioare despre quantum computing spuneam că cercetările şi experimentele urmăresc să exploateze felurite particule şi în diverse contexte fizice, abordările fiind deocamdată destul de divergente la nivel mondial. Despre sistemele cuantice create de IBM aflăm că materializează q-biţii prin joncţiuni Josephson (joncţiunea constând dintr-o alăturare de două materiale superconductoare separate printr-o barieră de semiconductori) care emulează un atom artificial având două stări distincte de oscilaţie, iar ansamblul acestora alcătuiesc un procesor cuantic bazat pe porţi. De asemenea, se prevede că legăturile dintre procesoarele cuantice din viitoarele sisteme agregate se vor realiza prin tehnologii optice, care deja sunt în curs de experimentare la IBM. (Alternativ, aflăm că la Institutul Niels Bohr din cadrul Universităţii din Copenhaga, grupul Quantum Photonics lucrează la o reţea cuantică capabilă să lege nuclee de procesare aflate la distanţă, iar aceasta se bazează pe nanostructuri fotonice de ‘quantum dots’.)

Între timp specialiştii de la IBM au adus şi o mulţime de îmbunătăţiri la QISKit, SDK-ul pus la dispoziţia publicului pentru a înţelege şi experimenta programarea de calculatoare cuantice. De notat că în lume sunt multe universităţi care au inclus ‘quantum computing’ în programele lor de cercetare, aşa cum sunt şi câteva companii care au pornit deja pe acest drum (şi din care anterior menţionam IBM, Google, D-Wave, Microsoft, Nokia). Deocamdată se întrevăd aplicări concrete ale calculului cuantic pentru domenii precum ştiinţa materialelor, farmaceutică, medicină, meteorologie, dar probabil că în viitor vom afla şi despre alte direcţii de experimentare. Plus că mizăm pe iminente materializări de tot mai multe soluţii hibride, adică în abordarea de fuziune electronic-cuantic.


Tags: , ,

Trackbacks

Leave a Trackback