Posted by მზარდი სირთულის კომპიუტერულ გამოთვლებს NASA კვანტურ რეალობებს მიანდობს
NASA-ს მიზნობრივი კვლევების ცენტრი კალიფორნიის შტატში, სილიკონის ველზე მდებარეობს, ამიტომ სწორედ იქ იგეგმება და გადაიჭრება სააგენტოს მუშაობისთვის საჭირო ურთულესი გამოთვლითი ამოცანები. უკვე ათწლეულებია ამ ცენტრში კვანტური კომპიუტერის შექმნაზე მუშაობენ, რაშიც სილიკონის ველზე არსებული კერძო კომპანიების უმეტესობაც ინტენსიურად არის ჩართული. NASA-სთვის მნიშვნელოვანია, რომ მის მფლობელობაში არსებული სუპერ-კომპიუტერის დატვირთვა მაქსიმალურად ჩაანაცვლოს კვანტური სისტემებით, და კოსმოსური მისსიების მართვა კვანტურ კომპიუტერს მიანდოს.
კვანტური ფიზიკის სამყაროში პროცესები წარმოუდგენლად მცირე მასშტაბებით და დაბალი ტემპერატურების პირობებში მიმდინარეობს, რაც განსახილველი სამეცნიერო საკითხებისადმი უნიკალურ მიდგომებს მოითხოვს; ეს არის რევოლუციური ალგორითმების სივრცე, და მათზე ოპერირების სირთულე და სიჩქარე ნებისმიერი ტრადიციული კომპიუტერის სიმძლავრეს აღემატება. ალგორითმი – ეს არის თავისებური ინსტრუქცია, რომელიც კომპიუტერს გამოთვლითი ან ოპერაციული ამოცანების შესასრულებლად მიეწოდება. ალგორითმების ერთობლიობას, რომელიც კვანტური კომპიუტერის ოპერირებისთვისაა საჭირო, ”კვანტური წრედი” ეწოდება.
NASA-ს კომპიუტერული ოპერირების საჭიროებები არითმეტიკული პროგრესიით იზრდება, რადგან სააგენტო, მზის სისტემის ფარგლებში და მის მიღმა, სულ უფრო კომპლექსურ კოსმოსურ მისსიებს გეგმავს და ახორციელებს; უსწრაფეს გამოთვლებს მოითხოვს დედამიწის შემსწავლელი მეცნიერებები, კომუნიკაციები, აერონავტიკა და კოსმონავტიკა. ამოცანების სირთულის ზრდასთან ერთად დაიხვეწება კვანტური კომპიუტერის გამოთვლითი სისტემებიც, და მოიმატებს მათი ოპერაციული სიმძლავრე.
კვანტურ მექანიკაში სუპერპოზიცია ეწოდება ეფექტს, როდესაც მატერიალური ნაწილაკი ერთდროულად იმყოფება ბევრ სხვადასხვა მდგომარეობაში, კვანტური გადახლართულობა კი ამ ნაწილაკებს შორის უნიკალურ კორელაციას (ურთიერთობას) განაპირობებს, რაც კვანტური გამოთვლების საფუძველია. მეცნიერებას ჯერ ბოლომდე არ აუხსნია, თუ რა არის ამ ნაწილაკების განსხვავებული თუ საპირისპირო მდგომარეობების (მუხტი, სპინი, მაგნიტური ველი, ა.შ.) საფუძველი, მაგრამ მათი ფუნქციური მახასიათებლები უკვე იმდენად კარგადაა გამოკვლეული და შესწავლილი, რომ გამოთვლების ექსპერტებს უნიკალური კვანტური ალგორითმების შემუშავების, ხოლო ინჟინრებს – მათზე ოპერირებადი ტექნიკის შექმნის საშუალებას აძლევს.
მიზნობრივი კვლევების ცენტრის როლი
1972 წელს NASA-ს მიზნობრივი კვლევების ცენტრის დირექტორმა, ჰანს მარკმა, პირველი უმძლავრესი, პარალელურ სისტემებზე ოპერირებადი კომპიუტერული ქსელი დაამკვიდრა – მრავალი პროცესორი ერთდროულად ამუშავებდა ინფორმაციას, რამაც მიზნობრივი კვლევების ცენტრი მსოფლიო მასშტაბის კომპიუტერულ ბირთვად გადააქცია, სადაც რევოლუციური გამოთვლითი ამოცანების დამუშავებას ახდენდნენ (supercomputer).
დღეს ამ დაწესებულებას QuAIL – კვანტური ხელოვნური ინტელექტის ლაბორატორია (Quantum Artificial Intelligence Laboratory) ეწოდება, სადაც NASA კვანტური კომპიუტერების ზღვრულ სიმძლავრეებს განსაზღვრავს. უკვე ათეულობით წლებია ეს ლაბორატორია კოსმოსური მისსიების ამოცანების შესრულებისთვის საჭირო კვანტური ალგორითმების დამუშავებას ახდენს და ფუნდამეტური და კვანტური ფიზიკის გადაკვეთის წერტილებს იკვლევს. ლაბორატორია ინტესიურად თანამშრომლობს ისეთ კერძო კვანტურ კვლევით ცენტრებთან, როგორიცაა Google, ORNL – ოუქ რიჯის ეროვნული ლაბორატორია, Rigetti – ენერგიის დეპარტამენტის და ეროვნული კვანტური ინიციატივის განყოფილება, SQMS – ზეგამტარი კვანტური მასალებისა და სისტემების ცენტრი და ა.შ.
აპლიკაციები და ალგორითმები
კვანტური წრედი ”Clifford+T”; რომელი ამოცანების გადაჭრაში მოგვეხმარება კვანტური გამოთვლები?
შეიძლება ითქვას, რომ კვანტური გამოთვლები, როგორც სამეცნიერო სფერო, ჯერ კიდევ ჩანასახოვან მდგომარეობაშია, ამიტომ NASA-ს კოსმოსურ მისსიებში კვანტური კომპიუტერების პრაქტიკულად ჩართვა მომავალი ათწლეულების საქმეა. სწორედ ამაში მდგომარეობს QuAIL-ის ამოცანა – იქ მომუშავე სპეციალისტებმა, კვანტური პროცესორის შესაძლებლობები, ამჟამად მიმდინარე თუ მომავლის ჰიპოთეზურ სამეცნიერო ამოცანებს უნდა მოარგონ – ჯერ გამოთვლებით, შემდეგ – სიმულაციურად, ხოლო საბოლოოდ – პრაქტიკულად.
უკვე აღინიშნა, რომ კვანტური კომპიუტერის მუშაობის საფუძველი – კვანტური ალგორითმებია, რომლებიც სუპერპოზიციებისა და გადახლართულობებში, ნაწილაკების ცვალებად მახასიათებლებს ეფუძნება. კლასიკური კომპიუტერები ამ ალგორითმებით ოპერირებას მილიარდობით წლებს მოანდომებდენ. QuAIL-ის სპეციალისტები, კვანტური ალგორითმებისა და მათზე ოპერირებადი კომპიუტერების საშუალებით, დღეისათვის წარმოუდგენელი სირთულეებისა და მასშტაბების სამეცნიერო ამოცანების გადაჭრას აპირებენ.
შემუშავებული პირველი პრაქტიკული ამოცანა სამია: 1. კვანტური ალგორითმები სასტარტო მისსიების მართვისთვის; 2. კვანტური ალგორითმები მანქანური დასწავლისთვის დედამიწის შემსწავლელ მეცნიერებებში; 3. კვანტური ალგორითმები კოსმოსური მასალებისა და ტექნოლოგიების სამრეწველო პროცესებში. QuAIL-ს მიერ ამ ძირეული ამოცანების დანერგვა პრაქტიკაში გვიჩვენებს, თუ სად შეიძლება კვანტური კომპიუტერის სიმძლავრეები კიდევ უფრო მეტად გამოვიყენოთ NASA-ს მომავალ კოსმოსურ მისსიებში.
კვანტური გამოთვლების სამარჯვეები
როგორია კვანტური წრედებისა და პროგრამების შემუშავების პერსპექტივა? ალგორითმების მიღმა QuAIL თანმხლები ეფექტების მართვაზეც მუშაობს: ეს არის კვანტური ხელსაწყოების მოსალოდნელი ”ხმაური”, ცთომილებების აღმოფხვრა, ცალკეული სპეციფიური ხელსაწყოსთვის საჭირო ალგორითმების შედგენა (კომპილირება), მათი მუშაობის ვირტუალური სიმულაცია, და ა.შ.
ცალკე გამოწვევაა კვანტური კომპიუტერის, როგორც ხელსაწყოს, ფუნქციონირება, რაც ექსტრემალურად კონტროლირებად გარემოში უნდა განხორციელდეს. მაგალითად, მთელი რიგი მასალების ზეგამტარობა მხოლოდ უკიდურესად დაბალ ტემპერატურებზე თუ მიიღწევა, ხოლო ასეთ ზეგამტარ ჩიპებზე მომუშავე ოპერაციული სისტემა, აკუმულირებული მაგნიტური ველისა და დამუხტული ნაწილაკების პირობებში, უდიდესი რაოდენობის ცთომილებას წარმოშობს. ამ ცთომილებების აღმოფხვრა კი, როგორც უკვე ითქვა, ისედაც უკიდურესად რთული ამოცანაა.
ამ ამოცანის გადაჭრის ერთ-ერთი საშუალებაა პროცესების მოდელირება, რომელსაც ხმაურის მახასიათებლების განსაზღვრას უწოდებენ. მოდელირება აჩვენებს, თუ რა გავლენა შეიძლება მოახდინოს გარემოს არახელსაყრელმა ფაქტორმა (ცალ-ცალკე და ერთობლივად) კვანტური ალგორითმების ეფექტურობაზე და ცთომილებათა დაგროვების ინტესივობაზე.
სპეციფიკური ხელსაწყოებისთვის ალგორითმების კომპილაცია (მორგება) ორ საფეხურს მოიცავს: 1. თვით სპეციალური ალგორითმის შედგენა; 2. ამ ალგორითმის კვანტური კომპიუტერის პროგრამაში ინტეგრირება. აქ მკვლევარებისთვის უმთავრესი გამოწვევაა ინფორმააციის კოდირება, რომელმაც კონკრეტული ოპერაციული სისტემების შემუშავებამდე, ან ძველ სისტემებზე მორგების მექანიზმებამდე უნდა მიგვიყვანოს.
Google-ის კვანტური კომპიუტერი მაცივარში, სადაც გარემოს ტემპერატურა აბსოლუტურ ნულზე (-273oC) სულ ოდნავ მეტია.
კვანტური კომპიუტერი ჯერ არ არსებობს, ამიტომ კვანტური წრედების სიმულირება ჩვეულებრივ პროცესორებზე მიმდინარეობს. ამ ეტაპზე QuAIL-ის თანამშრომლები მცირე კალიბრის კვანტურ ალგორითმებს ტრადიციულ სუპერკომპიუტერზე შეიმუშავებენ და ამ მეთოდის ლიმიტების დადგენასაც ცდილობენ.
NASA-ს უდიდესი მიღწევა იყო ამ წინა-კვანტური ალგორითმების ეგზეკუცია (გამოცდა) კვანტური კომპიუტერის პროტოტიპზე, რომელიც Google და ORNL ერთად განახორციელა, რამაც აჩვენა, რომ კვანტური კომპიუტერი წამებში უმკლავდება იმ ამოცანებს, რომელთა დამუშავებასაც, უმძლავრესი ტრადიციული კომპიუტერიც კი, დღეებს და კვირებს ანდომებს.
მეტი კვანტური კომპიუტერების შესახებ:
- Google and NASA Achieve Quantum Supremacy
- https://www.cnet.com/tech/computing/quantum-computer-makers-like-their-odds-for-big-progress-soon/
მკვლევარებისთვის:
- “From Ansätze to Z-gates: a NASA View of Quantum Computing,” by Eleanor Rieffel et al., Advances in Parallel Computing, Vol 34, pp. 133 – 160, 2019.
- “A NASA perspective on quantum computing: Opportunities and challenges” by Rupak Biswas et al., Parallel Computing 64, 81-98, 2017.
- QuAIL technical site
- Ames Research Center