Kwantowy problem wcale nie zawsze polega na braku mocy i na to odpowiada nowy japoński projekt z Uniwersytetu Osaka. Zamiast odpowiadać na pytanie “jak zbudować większy komputer kwantowy?”, próbuje znaleźć odpowiedź na to “jak sensowniej używać tego, który już stoi?”. Różnica może wydawać się subtelna, ale w praktyce jest ogromna. Szczególnie teraz, czyli w czasach, gdy dostęp do prawdziwych maszyn kwantowych najczęściej odbywa się przez chmurę, a nie przez urządzenie stojące w zwykłej serwerowni firmowej.
Jeden użytkownik, cały chip kwantowy i mnóstwo obijania się
Co ciekawe, największy absurd chmurowego dostępu do komputerów kwantowych polega dziś na tym, że wiele zadań badawczych jest małych. W materiałach dotyczących tego projektu pojawia się nawet konkretna liczba, według której sporo programów wykorzystuje około 10 kubitów, podczas gdy sam układ QIQB ma 64 kubity. W klasycznym modelu obsługi kolejki jedno zadanie potrafi zajmować cały chip, nawet jeśli faktycznie potrzebuje tylko fragmentu jego zasobów. Patrzę więc na to trochę jak na wczesną, źle zarządzaną serwerownię, w której ktoś odpala mały skrypt, ale na wszelki wypadek rezerwuje całą maszynę.
Czytaj też: Naukowcy stworzyli kwantowy generator nieufności. Wszystko przez komputery kwantowe
Przy zwykłych komputerach taki model dawno przestał mieć sens. Mamy przecież powszechną wirtualizację, kontenery, harmonogramy zadań, wielodostęp, klastry i całe ekosystemy narzędzi, które dbają o to, żeby procesor, pamięć i akceleratory nie stały bezczynnie. W świecie kwantowym podobna wygoda nie jest jeszcze oczywistością, bo sama natura sprzętu brutalnie ogranicza swobodę. Jednak Japończycy właśnie rozwiązali ten problem.
Centrum Quantum Information and Quantum Biology przy Uniwersytecie Osaka uruchomiło funkcję quantum multi-programming w trybie automatycznym. W skrócie? Teraz system potrafi sam dobrać zadania od różnych użytkowników, przydzielić je do dostępnych kubitów i uruchomić równolegle na tym samym chipie. Nie jest to symulator ani abstrakcyjna propozycja na przyszłość. Mechanizm już działa w chmurowej usłudze komputera kwantowego QIQB, która korzysta z 64-kubitowego układu.
Kubit nie jest bowiem zwykłym rdzeniem CPU, który można potraktować jako wymienny kawałek zasobu. Liczy się połączenie z innymi kubitami, kierunek operacji, fizyczna topologia układu, błędy, zakłócenia i możliwość wykonania konkretnych bramek w konkretnym miejscu. Właśnie dlatego automatyczne “upakowanie” kilku programów na jednym chipie nie sprowadza się do banalnego dzielenia przestrzeni na części.
Japończycy zrobili z chmury kwantowej układankę grafową
System opracowany przez Japończyków reprezentuje zarówno obwody kwantowe, jak i sam chip jako grafy złożone z wierzchołków oraz krawędzi. Następnie rozwiązuje problem izomorfizmu podgrafu, czyli szuka sposobu, aby kilka mniejszych obwodów dopasować do fizycznej struktury dostępnego układu. Całość została zaimplementowana w OQTOPUS, czyli otwartym stosie oprogramowania dla komputerów kwantowych. OQTOPUS ma obniżać próg uruchamiania i obsługi takich usług.
W praktyce przypomina to układanie kilku delikatnych, nieregularnych wzorów na planszy, która sama ma bardzo konkretne ograniczenia. Nie wystarczy bowiem tylko znaleźć wolnych kubitów. Trzeba jeszcze sprawdzić, czy połączenia między nimi pozwalają wykonać żądane operacje i czy całość da się przełożyć na fizyczny sprzęt bez przerzucania całego problemu na użytkownika.
Dlatego w projekcie specjaliści wykorzystali solver programowania całkowitoliczbowego, który dobiera rozmieszczenie obwodów szybko i precyzyjnie. System uwzględnia też ograniczenia sprzętowe, w tym kierunek połączeń między kubitami oraz fakt, że nie każdy kubit może bezpośrednio “rozmawiać” z każdym innym. Obwody są przed połączeniem transpilowane, czyli przekształcane do formy możliwej do wykonania na danej maszynie.
Dla użytkownika najważniejszy jest efekt końcowy. Nie musi ręcznie zastanawiać się, gdzie dokładnie wyląduje jego obwód i jak ominąć fizyczne ograniczenia chipa. System robi to za niego, a jednocześnie sprawdza kolejkę tak, aby nie poświęcić sprawiedliwości na rzecz samej wydajności. Pod uwagę brana jest ustalona liczba zadań z początku kolejki, dzięki czemu starsze zgłoszenia nadal mają pierwszeństwo, ale harmonogram może szukać kombinacji nadających się do równoległego uruchomienia.
3,76 razy większa przepustowość może zmienić codzienność badaczy
W testach zespół wykorzystał zestaw danych mający odzwierciedlać zachowanie użytkowników. Jeden z eksperymentów zakładał pięciu użytkowników, 110 zadań, dwukubitowe obwody i 11-kubitowy chip. W takim scenariuszu automatyczne współuruchamianie programów poprawiło przepustowość około 3,76 razy.
Nie udawałbym, że z tego wyniku da się od razu wyciągnąć prosty wniosek dla wszystkich komputerów kwantowych świata. Scenariusz był konkretny, obejmował małe obwody i mniejszy układ testowy. Przy większych, bardziej wymagających programach zyski mogą wyglądać inaczej, a przy zadaniach wykorzystujących większość układu równoległe uruchamianie przestaje mieć zbyt dużo sensu. Tyle że właśnie w badaniach, edukacji, prototypowaniu algorytmów i codziennym eksperymentowaniu małe prace są bardzo częste.
Jeśli dostęp do sprzętu jest rzadki, drogi i obciążony ograniczeniami technicznymi, to każda godzina oczekiwania spowalnia iterację. Badacz, student czy zespół firmowy nie chce tylko raz wysłać programu i odebrać wyniku. Chce poprawiać obwód, zmieniać parametry, sprawdzać warianty i uczyć się zachowania sprzętu. Gdy kolejka jest krótsza, tempo pracy zaczyna przypominać normalniejszy cykl eksperymentalny.
Przyszłość kwantów może zależeć od oprogramowania
Najbardziej podoba mi się w tym projekcie coś, co w pierwszym kontakcie może wydawać się najmniej widowiskowe. Przełom nie dotyczy nowego typu kubitu, cudownego materiału ani zapowiedzi maszyny, która za chwilę pokona wszystkie superkomputery. Dotyczy warstwy systemowej, bo oprogramowania zarządzającego dostępem do sprzętu.
Właśnie takich elementów potrzebuje technologia, która chce wyjść poza laboratorium. Przy nanoklastrach złota w komputerach kwantowych najważniejszym pytaniem była skalowalność fizycznego nośnika informacji. Przy elektronach nad ciekłym helem problem krążył wokół chłodzenia, integracji i kontroli pojedynczych cząstek. Tutaj mówimy o czymś bardziej przyziemnym, ale nie mniej potrzebnym, bo próbie odpowiedzenia na pytanie jak sprawić, żeby ograniczony, delikatny i kosztowny zasób nie był traktowany jak eksponat muzealny, tylko jak element infrastruktury.
Czytaj też: Materiał od bomb i reaktorów pokazał kwantową sztuczkę. Takie odkrycia zmieniają sposób myślenia o atomie
Najzabawniejszy paradoks całej historii polega na tym, że japoński system wykorzystuje klasyczne metody optymalizacyjne, aby lepiej zarządzać komputerem kwantowym. Solver, grafy, transpilacja, harmonogram kolejki – wszystko to należy do świata, który komputery kwantowe rzekomo mają kiedyś przeskoczyć w wybranych klasach problemów. Na razie jednak bez klasycznej informatyki kwantowy sprzęt byłby znacznie mniej praktyczny.
Wydaje mi się, że właśnie tak będzie wyglądać najbliższa przyszłość tej branży. Nie jako brutalne zastąpienie klasycznych komputerów maszynami kwantowymi, lecz jako coraz ciaśniejsze łączenie warstw. Klasyczne systemy będą przygotowywać zadania, optymalizować obwody, zarządzać kolejkami, korygować błędy, analizować wyniki i pilnować infrastruktury. Kwantowy procesor stanie się zaś wyspecjalizowanym akceleratorem do zadań, w których ma sens. Trochę jak GPU, tylko na znacznie trudniejszych zasadach i z dużo większą wrażliwością na warunki pracy.
Nie odbierałbym więc temu osiągnięciu znaczenia tylko dlatego, że nie brzmi jak wielki skok w samej fizyce. Praktyczna technologia dojrzewa wtedy, gdy ktoś zaczyna rozwiązywać te nudne, codzienne problemy użytkowników. Kolejki. Bezczynność zasobów. Sprawiedliwy dostęp. Automatyczne dopasowanie zadań do sprzętu. W świecie komputerów kwantowych takie rzeczy są dziś bliżej fundamentów niż kosmetyki.
Kubity nadal są zbyt cenne, żeby marnować je na puste przebiegi
Nie wiem, czy akurat ten konkretny mechanizm z Uniwersytetu Osaka stanie się standardem dla całej branży. Jest jeszcze za wcześnie na taki wniosek. Wiem jednak, że kierunek jest właściwy, bo im większe będą komputery kwantowe, tym bardziej absurdalne stanie się oddawanie całego układu pojedynczemu małemu programowi. Przy 64 kubitach problem już widać. Przy setkach i tysiącach kubitów będzie jeszcze większy.
Czytaj też: Kwantowy przełom z USA. Dźwięk, który odmieni przyszłość elektroniki
Największe marzenia związane z komputerami kwantowymi nadal pozostają przed nami. Projektowanie leków, materiałów, katalizatorów, nowych procesów przemysłowych, lepsze symulacje chemiczne i problemy optymalizacyjne, których dzisiejsza informatyka nie lubi. Droga do tego świata nie będzie jednak zbudowana wyłącznie z coraz większych chipów. Będzie też zbudowana z harmonogramów, middleware’u, transpilatorów, solverów, interfejsów chmurowych i mechanizmów, które sprawią, że prawdziwy sprzęt przestanie być dobrem rzadkim używanym nieefektywnie.
Japończycy nie pokazali więc końca wyścigu kwantowego. Pokazali raczej coś bardziej trzeźwego, bo jeśli przyszłość ma działać, to ktoś musi zadbać również o jej kolejkę zadań.
Źródła: Eurekalert
