Quantencomputer, Systeme, die Berechnungen unter Ausnutzung quantenmechanischer Phänomene durchführen, könnten dabei helfen, mehrere komplexe Aufgaben effizient zu bewältigen, darunter auch sogenannte kombinatorische Optimierungsprobleme. Hierbei handelt es sich um Probleme, bei denen es darum geht, die optimale Kombination von Variablen aus mehreren Optionen und unter einer Reihe von Einschränkungen zu ermitteln.
Quantencomputer, die diese Probleme bewältigen können, sollten auf zuverlässigen Hardwaresystemen basieren, die über eine komplexe All-to-All-Knotenkonnektivität verfügen. Diese Konnektivität ermöglicht letztendlich die direkte Abbildung von Diagrammen, die beliebige Dimensionen eines Problems darstellen, auf die Computerhardware.
Forscher der University of Minnesota haben kürzlich ein neues elektronisches Gerät entwickelt, das auf der standardmäßigen CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) basiert und diesen entscheidenden Mapping-Prozess unterstützen könnte. Dieses Gerät wurde in einem Artikel vorgestellt Naturelektronikist ein physikbasierter Ising-Löser, der aus gekoppelten Ringoszillatoren und einer All-to-All-Knoten-verbundenen Architektur besteht.
„Der Aufbau einer All-to-All-verbundenen Hardware, bei der jeder Knoten (also der Oszillator) mit allen anderen Knoten ‚sprechen‘ kann, ist äußerst anspruchsvoll; mit zunehmender Anzahl gekoppelter Knoten (N) erhöht sich die Anzahl der Verbindungen pro Knoten um ~.“ N2. Dies führt zu einer quadratisch steigenden elektrischen Belastung und einem Hardware-Overhead für jeden Knoten, was die Kopplung weniger effizient und weniger gleichmäßig macht“, sagte Chris Kim, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org.
„Frühere Arbeiten, einschließlich unserer eigenen, konzentrierten sich auf lokal verbundene Architekturen, bei denen jeder Knoten nur mit einer Handvoll kommunizieren konnte (z. B. verfügt der von Kim und seinen Kollegen entwickelte Ising-Löser über eine All-to-All-Architektur mit 48 Spins und einer äußerst gleichmäßigen Kopplung Die horizontalen Oszillatoren im Gerät sind eng mit den vertikalen Oszillatoren gekoppelt, wodurch Paare von horizontal-vertikalen Oszillatoren entstehen, die sich mit anderen Paaren schneiden, um ein Kreuzschienenarray zu bilden.
„Die Grundidee unseres Ising-Lösers besteht darin, ein oszillierendes Signal sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung so auszubreiten, dass Knoten i und Knoten j einander in einem Crossbar-Array schneiden“, erklärte Kim. „Indem wir an jedem Schnittpunkt eine Kopplerschaltung platzieren, können wir ein Schaltungsarray aufbauen, in dem jedes Knotensignal mit allen anderen Knotensignalen kommuniziert. Obwohl die oszillierenden Signale im gesamten Array phasenverschoben sind, erfolgt die Kopplung zwischen zwei Knoten auf eine Weise, die dies erklärt.“ verschobene Phasen, weshalb der vorgeschlagene Entwurf eine wettbewerbsfähige Lösung findet.
Die Forscher bewerteten ihren Ising-Löser in einer Reihe von Tests, in denen sie damit verschiedene statistische Operationen durchführten und Messungen für Probleme unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichen Diagrammdichten sammelten. Ihre Ergebnisse waren vielversprechend, da Diagramme, die die Dimensionen dieser Probleme darstellen, effektiv auf ihrem Chip abgebildet werden konnten.
„Mit unserem neuen Ansatz können wir einen Problemgraphen mit bis zu 48 Knoten direkt auf die Solver-Hardware abbilden“, sagte Kim. „Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber früheren Designs. Beispielsweise wurde die graphbasierte Hardware eines Kings von mehreren Gruppen, darunter auch unserer, demonstriert, aber jeder Knoten konnte nur mit acht anderen Nachbarn kommunizieren.“
In Zukunft könnte der von Kim und seinen Kollegen eingeführte Chip die Entwicklung weiterer Ising-Löser und -Geräte unterstützen, die komplexe Problemgraphen abbilden können. Dies könnte letztendlich dazu beitragen, die Fähigkeit von Quantencomputern, kombinatorische Optimierungsprobleme zu lösen, weiter zu verbessern und ihren Einsatz in der Praxis zu erleichtern.
„Da die Probleme, die wir lösen wollen, viel größer sind als eine einzelne Hardware-Instanz, müssen wir einen Weg finden, Teilprobleme zu zerlegen und neu zusammenzusetzen, ohne die Lösungsgenauigkeit zu beeinträchtigen“, fügte Kim hinzu.
„Ein weiteres interessantes Thema ist der Vergleich der Lösungsqualität unserer Hardware mit bestehenden Optimierungsalgorithmen wie Simulated Annealing oder Tabu Search. Schließlich müssen wir systematischere Wege finden, um ein Problem mit Kopplungsgewichten zu formulieren; wir können diesen Rechenansatz nicht demokratisieren, wenn …“ Bei jedem Schritt der Berechnung ist ein menschlicher Experte erforderlich.“
Mehr Informationen:
Hao Lo et al., Ein Ising-Löser-Chip basierend auf gekoppelten Ringoszillatoren mit einer All-to-All-Connected-Array-Architektur mit 48 Knoten, Naturelektronik (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-01021-y
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