Spoločnosť Atos predstavuje „Q-skóre“. Prvý univerzálny spôsob merania výkonu kvantových systémov možno použiť pri všetkých programovateľných kvantových procesoroch.

Q-skóre meria efektivitu kvantového systému pri riešení úloh z reálneho života – takých, ktoré tradičné počítače nedokážu vyriešiť – namiesto obyčajného merania teoretického alebo fyzického výkonu. V ostatných rokoch sa spoločnosť Atos prostredníctvom partnerstiev s rôznymi priemyselnými a akademickými subjektmi stala priekopníkom využitia kvantových systémov. V spolupráci s nimi sa zapojila do projektov, zameraných na hľadanie konkrétnych prípadov využitia, kde kvantové počítače urýchlia spracovanie.

Podniky a organizácie, ktoré uvažujú o investíciách do kvantových výpočtových systémov, sa musia zorientovať v ponuke značného množstva rôznych procesorových technológií a prístupov k programovaniu. Potrebujú teda spoľahlivý nástroj, ktorý im pomôže zvoliť optimálnu cestu. Q-skóre je nezávislé od typu hardvéru a ponúka objektívne, jednoduché a spravodlivé meradlo, na ktoré sa možno spoľahnúť,“ hovorí generálny riaditeľ spoločnosti Atos Elie Girard. „Od roku 2016, keď sme spustili Atos Quantum, prvý európsky program priemyselného využitia kvantových počítačov, sa náš cieľ nemení: podporovať rozvoj priemyselných a výskumných aplikácií a dláždiť cestu ku kvantovej prevahe.“

Čo Q-skóre meria?

Dnes sa najčastejšie výkon kvantového systému uvádza v kvantových bitoch, čiže qubitoch. Kvantové bity sú však nestále a pri jednotlivých kvantových technológiách (ako sú supravodivé, iontové, kremíkové, fotonické) sa výrazne líšia kvalitou (rýchlosťou, stabilitou, konektivitou, atď.). Ich výpovedná hodnota preto nie je ideálna na porovnávanie výkonu.

Q-skóre sa však zameriava na schopnosť riešiť známe problémy kombinatorickej optimalizácie. Výskumné centrá, univerzity, podniky a technologické firmy tak získavajú jednoznačné, spoľahlivé, objektívne a porovnateľné výsledky pri riešení problémov s optimalizáciou v reálnom svete.

Q-skóre meria skutočný výkon kvantových procesorov pri riešení optimalizačného problému, príznačného pre súčasnú éru kvantových počítačov, označovaných ako NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum). Na objektívne porovnanie výkonu a zachovanie jednotnosti merania využíva Q-skóre vo všetkých prípadoch štandardný problém kombinatorickej optimalizácie (tzv. problém maximálneho rezu, podobný známemu problému obchodného cestujúceho, viď nižšie). Skóre sa stanovuje z maximálneho počtu premenných v takom probléme, aké dokáže kvantová technológia optimalizovať (napríklad 23 premenných = 23 Qs).

Spoločnosť Atos plánuje každoročne zverejňovať zoznam najvýkonnejších kvantových procesorov na svete na základe Q-skóre. Prvý rebríček vyjde v roku 2021 a bude obsahovať aktuálne výsledky meraní, ktoré uskutočnia samotní výrobcovia.

Q-skóre je založené na voľne dostupnom softvérovom balíčku a celý koncept je postavený na troch pilieroch:

  • Zameranie na reálnu aplikáciu: Q-skóre je jediný spôsob merania založený na algoritmoch súčasnej éry kvantových systémov, ktorý meria schopnosť kvantových počítačov riešiť praktické problémy.
  • Otvorenosť a jednoduchosť použitia: Q-skóre je univerzálne a bezplatné a ťaží z technologicky neutrálneho prístupu spoločnosti Atos. Celý softvérový balík, vrátane nástrojov a metodiky, nepotrebuje na meranie výkonné výpočtové prostriedky.
  • Objektivita a spoľahlivosť: Spoločnosť Atos prepája prístup nezávislý od konkrétneho hardvéru a technológií so svojimi rozsiahlymi znalosťami návrhu algoritmov a optimalizácie, ktoré získala pri spolupráci s poprednými dodávateľmi i používateľmi kvantovej techniky. Metodika stanovenia Q-skóre bude verejne dostupná a otvorená analýze.

Bezplatný súbor softvérových nástrojov, ktorý umožní spustiť Q-skóre na ľubovoľnom procesore, bude k dispozícii v prvom štvrťroku 2021. Spoločnosť Atos vyzýva všetkých výrobcov, aby na svojich technológiách odmerali Q-skóre a zverejnili výsledky.

Vďaka pokročilým schopnostiam svojho vysoko výkonného kvantového simulátora Atos Quantum Learning Machine (Atos QLM) dokáže spoločnosť Atos odhadnúť Q-skóre rôznych platforiem. Tieto odhady zohľadňujú charakteristiky, zverejnené ich výrobcami. Výsledky sa pohybujú okolo Q-skóre 15 Qs, ale pokrok je rapídny. Pred rokom sa priemerné Q-skóre odhadovalo na približne 10 Qs, o ďalší rok by mohlo prekročiť 20 Qs.

Q-skóre posúdila medzinárodná skupina odborných poradcov Atos Quantum Advisory Board, zložená z popredných technických expertov, matematikov a fyzikov, ktorá sa zišla 4. decembra 2020.

 Vysvetlenie Q-skóre na probléme obchodného cestujúceho

Dnes sa ako najsľubnejšie javí využitie kvantových počítačov pri riešení rozsiahlych problémov kombinatorickej optimalizácie. Príkladom sú známe úlohy ako problém obchodného cestujúceho alebo menej preslávený, no nemenej dôležitý problém maximálneho rezu.

Popis problému: cestujúci musí navštíviť N miest, ktorých vzájomné vzdialenosti sú známe, pričom každé mesto môže navštíviť iba raz. Aká je najkratšia možná trasa, pri ktorej cestujúci navštívi každé mesto práve raz a vráti sa do východiskového bodu?

Akokoľvek sa úloha zdá na prvý pohľad jednoduchá, nájdenie jednoznačne nespochybniteľnej odpovede pri rastúcom počte premenných N (miest) je pomerne náročné. Problém maximálneho rezu je všeobecnejší a možno naň naraziť v mnohých oblastiach, napríklad pri optimalizácii dosiek plošných spojov v elektronike alebo pri rozmiestňovaní vysielačov 5G.

Q-skóre posudzuje schopnosť kvantového procesoru tieto kombinatorické problémy vyriešiť.

 

Q-skóre, kvantový výkon a kvantová prevaha

Dnešné najvýkonnejšie klastrové výpočtové systémy (HPC) by dosiahli Q-skóre takmer 60 Qs, pričom najlepšie kvantové výpočtové systémy podľa verejne dostupných údajov dosahujú Q-skóre okolo 15 Qs. Vzhľadom na nedávny pokrok očakávame, že kvantový výkon v nadchádzajúcom roku presiahne Q-skóre 20 Qs.

Q-skóre možno stanoviť pri kvantových procesoroch aj s viac ako 200 qubitmi. Zostane preto ideálnou veličinou na meranie kvantového výkonu a stanovenie kvantovej prevahy, definovanej ako schopnosť kvantových technológií vyriešiť optimalizačný problém, ktorý súčasné klasické technológie vyriešiť nedokážu.

Ako sa uvádza vyššie, Atos odhaduje, že kvantovú prevahu sa v kontexte optimalizačných problémov podarí dosiahnuť nad hodnotou 60 Qs.

Spoločnosť Atos podporuje rozvoj priemyselného využitia kvantových počítačov

Rok 2020 predstavuje vo vývoji kvantových počítačov bod zlomu. Nachádzame prvé praktické problémy alebo oblasti využitia, kde nemožno uplatniť klasické technológie, ale kde by mohli pomôcť práve kvantové systémy. Tak ako pri iných disruptívnych technológiách predstavuje v tomto prípade nájdenie konkrétneho uplatnenia (a súvisiacich etických obmedzení) významný krok k presvedčeniu potenciálnych používateľov, zavádzaniu novej techniky a jej úspechu. Práve tam spoločnosť Atos vidí svoju rolu.

Atos zúročuje svoje jedinečné skúsenosti s vývojom algoritmov a schopnosti simulátora QLM pri koordinácii európskeho projektu NExt ApplicationS of Quantum Computing
(NEASQC). Ide o jeden z najambicióznejších projektov, zameraných na využitie súčasnej kvantovej techniky a demonštráciu jej prevahy. Na projekte NEASQC sa podieľajú akademické inštitúcie a priemyselné podniky, motivované vidinou urýchlenia svojich dôležitých procesov pomocou kvantových počítačov. K tomu v roku 2023 prispeje aj uvedenie prvého akcelerátora Atos NISQ, ktorý bude integrovať qubity do klastrových výpočtových systémov.

Priemyselní partneri projektu NEASQC uvádzajú niekoľko príkladov z praxe, kde môžu byť kvantové počítače výrazným prínosom:

  • Zachytávanie oxidu uhličitého podľa spoločnosti Total: štúdiom zachytávania CO2 získavajú vedci informácie o interakciách medzi molekulami a môžu lepšie porozumieť, simulovať a optimalizovať absorpciu.
  • Inteligentné dobíjanie batérií podľa EDF: optimalizácia napájania elektrických vozidiel na rýchlodobíjacích staniciach s cieľom predchádzať radom a šetriť čas a peniaze pre veľké flotily.
  • Kvantová metóda Monte Carlo podľa HSBC: vývoj efektívnych algoritmov, ktoré môžu pri súčasných kvantových počítačoch buď nahradiť alebo redefinovať metódy Monte Carlo a výrazne tak zvýšiť efektivitu stanovenia cien derivátov alebo modelov riadenia rizík.
  • Kvantový systém pravidiel podľa CESGA: vybudovanie kvantového systému, ktorý rieši špecifický problém s veľkým množstvom dát a pravidiel pri diagnostike a liečbe určitého typu rakoviny prsníka (duktálneho invazívneho karcinómu).

Ďalšie informácie o projekte NEASQC, uvedených i ďalších príkladoch využitia nájdete na stránke https://neasqc.eu

Značky: