「神奈川の大波」-19世紀の日本人アーティスト葛飾北斎の木版画
3月上旬、 D-Wave Systemsは、 量子アニーリングの原理で動作する新しいコンピューターのリリースを発表しました。 新しいマシンは、いくつかの技術的な改善を行い、コンポーネントの物理的な場所を大幅に変更しました。 これはどういう意味ですか？ D-Waveのオンラインリソースとともに、有用性の状態に近づいているデバイスが形になり始めています。
スムーズなコンピューターを作る
おいしい詰め物を作る前に、まずクッキーの端をかじる必要があります-つまり、量子アニーリングとは何ですか？ ほとんどのコンピューターは簡単な方法で動作します。2つの数字を追加するために、追加を実行する論理ゲートのセットを作成します。 各ゲートは、入力データに対して一連の明確に定義された操作を実行します。
しかし、これが計算を行う唯一の方法ではありません。 ほとんどのタスクは、エネルギーを最小化するタスクと同等になるように作成できます。 このバージョンでは、タスクはエネルギーランドスケープであり、ソリューションはその上で可能な最小エネルギーです。 一番下の行は、このエネルギーを示すビット値の組み合わせを見つけることです。
これを行うには、フラットなエネルギー環境から始める必要があります。すべてのビットのエネルギーは最小限です。 次に、ビットの周囲の風景をゆっくりと慎重に変更して、タスクを表現し始めます。 すべてが正しく行われた場合、ビットは最小限のエネルギーの状態のままになります。 それらの値を検討することで解決策が得られます。
これらはすべて量子物理学なしで機能しますが、D-Waveは量子ビット（qubit）を使用してこれを行います。 これは、量子ビットが互いに相関することを意味します-これは量子エンタングルメントと呼ばれます。 その結果、それらは値を一緒に変更し、個別に変更しません。
トンネリング
その結果、量子トンネリングとして知られる効果が可能になります。 量子ビットが高エネルギーの状態で立ち往生していると想像してください。 近くには、量子ビットが行きたいエネルギーが少ない状態があります。 しかし、そこにたどり着くために、彼は最初により多くのエネルギーを持つ状態に入る必要があります。 古典的なシステムでは、これはより少ないエネルギーで状態を達成するための障壁に変わります。 しかし、量子キュービットでは、エネルギー障壁を通り抜けて、より少ないエネルギーの状態に入ることができます。
これらの2つのプロパティにより、D-Waveによって制御されるコンピューターは、一部の問題の解決策を従来よりも迅速に見つけることができます。
しかし、悪魔はささいなことに隠れています。 コンピューターでは、エネルギー環境はキュービットの結合（物理的結合）によって構築されます。 リンクは、1つのキュービットの値が残りの値にどの程度影響するかを制御します。
この瞬間は、D-Waveのマシンにとって常に問題でした。 理想的な条件下では、各キュービットは他のキュービットと接続されます。 しかし、このような多数の接続を編成することは実用的ではありません。
独自のキュービット
接続の欠如の結果は非常に深刻です。 一部のタスクは、D-Waveマシンで解決するには単純にやり直すことができません。 また、タスクをやり直すことができる場合、計算が無効になることがあります。 問題を解決するために、1と3の数字のキュービットを接続する必要があるが、それらは直接接続されていないことを想像してください。 この場合、両方に共通のキュービットを探す必要があります。 量子ビット1が量子ビット5に接続され、量子ビット2が量子ビット5および3に接続されているとします。 論理量子ビット1は、1番目と5番目の組み合わせになります。 論理キュービット3-2番目と3番目の組み合わせ。 D-Waveはこのシーケンスをチェーンの長さと呼びます。 この場合、長さは2です。
論理キュービットを取得するために物理キュービットのチェーンに接続するため、計算に使用できるキュービットは少なくなります。
D-Waveは、接続を増やすために、さらに複雑なキュービットパターンを構築することを計画しました。 接続が大きいほど、チェーンの長さが短くなるほど、より多くの空き論理キュービットが発生します。 また、キュービットがしっかりと接続されていて、接続が大きい場合、このようなマシンの助けを借りて、より多くの問題を解決できます。
一部のタスクの構造化の効率は非常に低くなります。つまり、D-Waveアーキテクチャはソリューションに適していないだけです。 しかし、接続性が高まると、不適切なタスクの数は減ります。
マシンの以前のバージョンでは、対角ブロックの接続性を以前のバージョンのマシンと比較して改善するために、8ビットのブロックでキュービットが分散されていました。 その結果、チェーンの長さの状況は多少改善されました。
D-Wave 2000Qアーキテクチャ
現在、D-Waveは「Count of Pegasus」として知られる接続スキームに切り替えました。 正確に説明する方法がわからないので、厳密なグラフ理論の観点からはあまり正確に説明しませんが、より明確です。 8つのキュービットの同一のブロックの代わりに、車には2つのタイプのブロックがあります：8個と2個。
前述のように、8量子ビットのブロックで、内側と外側のループに沿って配置されます。 しかし、ビデオに示すように、内部ループと外部ループには追加の接続があります。 つまり、小さなブロック内の各キュービットには5つのリンクがあります。
ブロック自体はもはや正しい格子に配置されておらず、異なるブロックからのキュービット間に多くの接続があります。 前世代では、外部ループ上のキュービットは外部ループ上の他のキュービットと接続されていましたが、各キュービットは隣接ブロックの内部ループと外部ループの両方に接続されています。
さらに、異なるブロック間の長距離通信の新しいネットワークが登場しました。 各キュービットは、リモートユニットの別のキュービットと比較的遠い接続を持っています。 離れた関節の密度は、結合されたキュービットのペアで構成される2番目の主な構成要素により増加します。 ペアはメインブロックの周囲にあり、遠くの接続性を補完します。
チップの端にある8つのキュービットのグループでは、「キメラ」クラスのグラフとは異なり、結合密度は内部グループの密度とほぼ同じであるという考え方です。
チェーン短縮
これはどういう意味ですか？ まず、「キメラ」列と「ペガサス」列の類似性は、「キメラ」用に開発されたコードが「ペガサス」でも機能することを意味します。 接続性が向上すると、チェーンの長さが短くなり、信頼性が高まります。
新しいグラフが状況をどの程度改善するか想像できるように、対角線接続を持つ正方格子には、「キメラ」タイプのグラフでは6ユニットのチェーンが必要であり、「ペガサス」タイプのグラフでは2ユニットの長さが必要です。 一般に、チェーンの長さは2倍以上短くなります。 その結果、稼働時間は30〜75％短縮されます。
新しいグラフに加えて、D-Waveは技術レベルでコンピューターのパフォーマンスを改善しました。量子ビットのノイズレベルは低くなり、その数は大幅に増加しました。 同社は、新しいアーキテクチャを使用して、キュービット数を5000（2000年以降）にする予定です。 これらのすべてのアーキテクチャの変更は、より多くの物理キュービットを独立した論理キュービットとして使用できることを意味するため、アップグレードはより重要になります。