新的可擴(kuò)展量子處理器可以解決優(yōu)化問(wèn)題

新的可擴(kuò)展量子處理器可以解決優(yōu)化問(wèn)題

東京科技大學(xué)(TUS)的一個(gè)研究小組在解決優(yōu)化問(wèn)題方面取得了重要突破，開(kāi)發(fā)了一種完全可擴(kuò)展的量子處理器。

優(yōu)化問(wèn)題在日常生活中很常見(jiàn)，出現(xiàn)在多個(gè)領(lǐng)域，例如網(wǎng)絡(luò)路由、物流、機(jī)器學(xué)習(xí)和材料科學(xué)。

這些問(wèn)題極其復(fù)雜，難以使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)解決，因此研究人員不得不求助于其他方法。該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為退火的過(guò)程，可用于對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行建模。

模仿“旋轉(zhuǎn)”的行為

研究人員試圖創(chuàng)建模擬原子磁性方向的退火處理器，稱為“自旋”。自旋在高溫下隨機(jī)定向，但隨著溫度降低，自旋排列以達(dá)到最小能量狀態(tài)。

該團(tuán)隊(duì)展示了第一個(gè)完全耦合的大規(guī)模量子處理器，包括 512 個(gè)完全連接的自旋。眾所周知，這些系統(tǒng)難以實(shí)施和升級(jí)，因?yàn)樾枰紤]自旋之間的大量連接。

雖然并行使用多個(gè)完全連接的芯片是解決可擴(kuò)展性問(wèn)題的潛在解決方案，但這意味著需要在芯片之間實(shí)現(xiàn)過(guò)多的電線。

可擴(kuò)展性問(wèn)題的新解決方案

為了克服與可擴(kuò)展性相關(guān)的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種新方法，將量子處理器的能量狀態(tài)的計(jì)算沿著多個(gè)完全耦合的芯片劃分。這個(gè)過(guò)程形成了一個(gè)“陣列計(jì)算器”，然后一個(gè)控制芯片從其余芯片收集結(jié)果并計(jì)算總能量。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的 Takayuki Kawahara 教授解釋說(shuō)：“我們方法的優(yōu)勢(shì)在于芯片之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常小。雖然它的原理很簡(jiǎn)單，但這種方法使我們能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)可擴(kuò)展的、全連接的 LSI 系統(tǒng)，通過(guò)模擬退火來(lái)解決組合優(yōu)化問(wèn)題?！?

研究人員能夠通過(guò)使用商用 FPGA 芯片開(kāi)發(fā)出完全可擴(kuò)展的量子處理器。作為一種廣泛使用的半導(dǎo)體設(shè)備，這些芯片使團(tuán)隊(duì)能夠構(gòu)建具有 384 次自旋的處理器。

該機(jī)器已成功用于解決許多建議的優(yōu)化問(wèn)題，包括 92 節(jié)點(diǎn)圖著色問(wèn)題和 384 節(jié)點(diǎn)最大切割問(wèn)題。這些提議的實(shí)驗(yàn)表明，提議的設(shè)備具有真正的性能優(yōu)勢(shì)。

與其他具有相同退火系統(tǒng)的量子處理器相比，F(xiàn)PGA 系統(tǒng)在解決最大切割問(wèn)題時(shí)速度提高了 584 倍，能效提高了 46 倍。

隨著 FGPA 量子處理器的成功演示，該團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該設(shè)備。Kawahara 評(píng)論說(shuō)：“我們希望生產(chǎn)定制設(shè)計(jì)的 LSI 芯片，以增加容量并大大提高我們方法的性能和功率效率。這將使我們能夠?qū)崿F(xiàn)材料開(kāi)發(fā)和藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域所需的性能，這些領(lǐng)域涉及非常復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題?！?

團(tuán)隊(duì)計(jì)劃推動(dòng)實(shí)施他們的成果來(lái)解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題。他們希望與其他公司合作，并將他們的方法帶到半導(dǎo)體設(shè)計(jì)技術(shù)的核心。

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