Istnieje wiele potencjalnych obszarów zastosowań dla komputerów kwantowych. W większości dotyczą one problemów optymalizacyjnych.

W najbliższym czasie można spodziewać się przełomowych wyników badań z zakresu obliczeń kwantowych.

Pojawiają się też jednak inne, alternatywne technologie obliczeniowe. Jedną z nich są komputery neuromorficzne.

Procesory neuromorficzne mogą być wykorzystane w robotach działających w sposób zbliżony do zachowań ludzkich.

Obliczenia kwantowe to dzisiaj jeden z głównych tematów rozpalających wyobraźnię wszystkich zainteresowanych przyszłym rozwojem IT. Pomimo wciąż istniejących trudności i wyzwań, przed jakimi stoją twórcy komputerów kwantowych, oraz przeznaczonych dla nich algorytmów, wydaje się, że jesteśmy coraz bliżej osiągnięcia tzw. kwantowej supremacji. A przynajmniej uzyskania kwantowej przewagi, czyli momentu, w którym komputery kwantowe będą w stanie rozwiązać problemy przekraczające możliwości nawet największych komputerów tradycyjnych.

Zaawansowane technologie obliczeniowe stanowią jeden z istotnych obszarów badawczo-rozwojowych amerykańskiej agencji zajmującej się aeronautyką i przestrzenią kosmiczną. NASA wykorzystuje superkomputery nie tylko do podnoszenia poziomu bezpieczeństwa misji i zwiększania skuteczności realizacji ich różnorodnych, a zarazem niezwykle złożonych celów, ale także do pogłębiania rozumienia wyników tych misji oraz wspierania innowacyjnych prac inżynierskich i projektów naukowych. Ważnym obszarem badań w zakresie technologii obliczeniowych w NASA są rozwiązania kwantowe. Opowiadał o tym występujący podczas zorganizowanej niedawno w Warszawie przez ICM UW konferencji „Supercomputing Frontiers 2019” Rupak Biswas, dyrektor odpowiedzialny za technologię eksploracyjną w ośrodku NASA Ames Research Center.

Kwantowa optymalizacja

Komputery kwantowe wykorzystują do przetwarzania danych zjawiska mechaniki kwantowej – superpozycję i splątanie kwantowe. Ich pamięć składa się nie z bitów (tak jak w przypadku klasycznych komputerów), ale kubitów, które nie mają ustalonej wartości 1 albo 0. Obliczenia prowadzone są z założeniem wszystkich prawdopodobnych stanów pośrednich, a dopiero na końcu system zatrzymuje się w stanie klasycznym (o określonej wartości każdego kubita) i przedstawia możliwe rozwiązanie jako ciąg bitów.

Istnieje wiele potencjalnych obszarów zastosowań dla komputerów kwantowych. Wspólną ich cechą jest to, że dotyczą w większości problemów optymalizacyjnych, które pozostają nierozwiązywalne dla tradycyjnych algorytmów lub do ich rozwiązania potrzeba bardzo dużo czasu.

Najbardziej znane problemy dotyczą kryptografii. Co ciekawe, do problemów optymalizacyjnych można sprowadzić większość problemów uczenia maszynowego. Oznacza to, że powstanie komputerów kwantowych może stanowić kolejny, znaczący postęp w obszarze inteligencji maszynowej.

Z punktu widzenia NASA kluczowa jest optymalizacja w takich obszarach, jak: planowanie, harmonogramowanie i koordynacja misji kosmicznych, optymalne rozmieszczanie czujników na pojazdach kosmicznych, a także zarządzanie ruchem lotniczym, wykrywanie anomalii i wsparcie podejmowania decyzji oraz przetwarzanie równoległe uwzględniające topologię.

Do problemów optymalizacyjnych można sprowadzić większość problemów uczenia maszynowego. Powstanie komputerów kwantowych może stanowić znaczący postęp w obszarze inteligencji maszynowej.

Według Pawła Góry z Uniwersytetu Warszawskiego, założyciela społeczności Quantum AI oraz Warsaw Quantum Computing Group, który także występował podczas „Supercomputing Frontiers Europe 2019”, jednym z powodów, dla których widać tak duży wzrost zainteresowania obliczeniami kwantowymi w ciągu ostatnich dwóch lat, jest ogromny postęp, zwłaszcza pod względem liczby dostępnych do wykorzystania kubitów.

Zwraca on uwagę, że jeszcze w 2017 roku IBM dysponował komputerem oferującym 50 kubitów. W tym roku firma Rigetti ma zaprezentować komputer kwantowy posiadających 128 kubitów. Uznaje się, że do osiągnięcia kwantowej supremacji potrzeba powyżej 70 kubitów.

W najbliższym czasie można się spodziewać także przedstawienia przełomowych postępów poczynionych przez Google (system Bristlecone). Do tego dochodzą (budzące jednak pewną dozę sceptycyzmu wśród ekspertów twierdzących, że w tym przypadku nie mamy do czynienia z prawdziwymi komputerami kwantowymi) osiągnięcia kanadyjskiej firmy D-Wave, która chwali się, że wkrótce przedstawi komputer i system składający się z ponad 5 tys. kubitów.

Pojawia się także coraz więcej środowisk programistycznych umożliwiających tworzenie oprogramowania dla komputerów kwantowych. Przykładem są środowiska SDK z dostępem do procesora kwantowego, takie jak Forest firmy Rigetti, wspierane przez IBM – Qiskit, czy open-source’owy projekt Project Q, ale także bazujące na symulatorach środowiska, m.in. Microsoft Quantum Development Kit – oparty na stworzonym specjalne na jego potrzeby języku programowania Q#.

Wszystko to sprawia, że pomimo problemów i wyzwań – dekoherencji i szumu kwantowego, a w konsekwencji poszukiwania odpowiednich technologii korekcji błędów – supremacja kwantowa wydaje się coraz bliższa.

Pojawia się coraz więcej środowisk programistycznych umożliwiających tworzenie oprogramowania dla komputerów kwantowych.

Krzemowe neurony

Technologia kwantowa nie jest oczywiście jedyną alternatywną technologią obliczeniową, nad której rozwojem pracują czołowe ośrodki badawczo-rozwojowe na świecie. Kolejnym niezwykle obiecującym obszarem, w który angażuje się NASA, są komputery neuromorficzne. Stanowią one odwzorowanie biologicznych systemów nerwowych w krzemie. Pionierskie prace z tego zakresu zostały zapoczątkowane przez Carvera Meada. Obecnie w rozwój układów neuromorficznych zaangażowany jest m.in. Intel, który w 2017 roku zaprezentował procesor Loihi, a także IBM – stworzył elektrochemiczny układ pamięci ECRAM, będący sztuczną synapsą mogącą znajdować się w setkach różnych stanów.

Obecnie postęp w obszarze sprzętu znacznie wyprzedza rozwój oprogramowania dla komputerów neuromorficznych, dlatego Intel zaangażował się w budowę społeczności badawczej Intel Neuromorphic Research Community. Firma ma nadzieję, że bazując na układzie Loihi, naukowcy szybko rozwiną samouczące się algorytmy i będą w stanie udowodnić ich wartość w konkretnych zastosowaniach.

Co ciekawe, według Rupaka Biswasa, to właśnie raczej maszyny tego typu aniżeli komputery kwantowe zostaną wykorzystane w przyszłych misjach do odległych obszarów kosmosu ze względu na wysoką wydajność połączoną z efektywnością energetyczną. Sprawdzą się one znacznie lepiej w tak trudnych warunkach. Zakłada się, że procesory neuromorficzne będą napędzać funkcjonowanie robotów działających w sposób zbliżony do zachowań ludzkich w obszarze poznawczym czy podejmowania decyzji. W sytuacji, kiedy łączność z Ziemią będzie ograniczona, możliwość uczenia się przez samodzielne systemy „na miejscu” w celu adaptowania się do nowych warunków będzie miała kluczowe znaczenie dla sukcesu misji.

Komputery neuromorficzne zostaną wykorzystane w przyszłych misjach do odległych obszarów kosmosu ze względu na wysoką wydajność połączoną z efektywnością energetyczną.

Sięganie do granic nauk obliczeniowych

Technologie kwantowe i neuromorficzne, ale także klasyczne superkomputery i wyścig do eksaskali, przetwarzanie w pamięci i nowe rozwiązania niezbędne do rozwoju sztucznej inteligencji były głównymi tematami konferencji „Supercomputing Frontiers Europe 2019”, która odbyła się w marcu br.

To jedna z najważniejszych konferencji tego typu na świecie. Uczestnicy dyskutują o kluczowych zagadnieniach związanych z HPC, czyli High Performance Computing – od najnowszych procesorów, pamięci masowej i sieci, po neurofizjologię mózgu, genomikę, biologię, chemię, kosmologię i matematykę. Systemy superkomputerowe pomagają rozwiązywać najtrudniejsze z problemów, z jakimi mierzy się ludzkość. Obserwowanie trendów w tym obszarze pozwala o wiele wcześniej dostrzegać, jakie technologie mogą za kilka albo kilkanaście lat zdominować główny nurt IT.

Wydarzenie zostało zorganizowane po raz drugi w Polsce. Pomysłodawcą konferencji jest Marek Michalewicz, dyrektor Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego. „Staramy się rokrocznie zapraszać na konferencję wizjonerów, osoby działające interdyscyplinarnie, wyznaczające trendy w wielu dziedzinach: od komputerów kwantowych, przez komputery neurom orficzne, aż po sztuczną inteligencję i biologię. Przekonujemy, że zrozumienie technologii warunkuje rozwój współczesnej nauki, także spoza dziedzin ścisłych. W tym roku mieliśmy np. okazję posłuchać znakomitych wykładów dotyczących biologii obliczeniowej i medycyny – a to przecież tematyka związana z życiem ludzkim” – powiedział Marek Michalewicz.