HPE bestrijdt kwantumcomputers met nieuwe optische chips

HPE is een van de weinige fabrikanten die zich niet engageert in de kwantumrace. Het lacht de technologie niet weg, maar ziet meer toekomst in een radicaal nieuwe optische chip die op korte termijn meer potentieel heeft.

Allereerst een belangrijke nuance: HPE gelooft in de kwantumcomputer en volgt de innovaties op de voet, maar denkt niet dat de kwantumcomputer de toekomst is van alles. Het zal volgens de serverspecialist belangrijke innovaties kunnen realiseren in domeinen zoals de ontdekking van medicijnen, decryptie en kwantumdynamica.

Waar de kwantumcomputer in de nabije toekomst weinig kan betekenen, is in de NP-hard-categorie. Dit zijn zogenaamd onoplosbare zakelijke optimalisatieproblemen. Denk hierbij aan het ‘travelling salesman’-probleem. In dit probleem wil een verkoper elke stad binnen zijn verantwoordelijkheid op de meest efficiënte manier bezoeken.

Dat lijkt een eenvoudig probleem, tot je dieper graaft. De 15 steden in het portfolio van de verkoper worden verbonden door 4,3 miljard mogelijke routes. Problemen krijgen pas het NP-hard-label wanneer de uitvoertijd exponentieel groeit met de grootte van het probleem. Zulke problemen kunnen potentieel worden opgelost met zogenaamde quantum annealers.

HPE gelooft echter dat het nog heel lang zal duren voordat we op dat niveau zitten. Om NP-hard problemen op te lossen, moeten de machines minstens 50.000 qubits kunnen verwerken. Vandaag kunnen quantum-annealingmachines tot 2.000 qubits verwerken. Daarom werkt HPE aan een alternatief: een optische chip.

Fotonen

Vandaag gebruiken we al fotonen om onze data te dragen, maar we gebruiken elektronen om ze te gebruiken. HPE wil dat laatste ook via fotonen laten gebeuren. Marco Fiorentino, Distinguished Technologist bij HPE : “Chips die licht kunnen manipuleren zijn niet nieuw. Het prototype dat wij hebben ontwikkeld, met 1.052 optische componenten, is wel de grootste en meest complexe die rekentaken kan uitvoeren.”

 

“Het doel is om deze chip in een klassieke computer in te pluggen.”

 

Allereerst is het belangrijk om te weten hoe de chip werkt. HPE wil voor zijn chip steeds hetzelfde mathematische model gebruiken. Zo kan het een general purpose computer maken. Denk opnieuw aan het NP-hard-probleem met de verkoper en zijn eindbestemming. De meest efficiënte route is diegene die het minste energie vergt.

De optische chip maakt gebruik van het Ising-model. Het model bestaat al sinds 1920, waarbij statistische mechanica een ferromagnetisch systeem modelleert. Denk hierbij aan magnetische dipolen die naar twee kanten kunnen zwaaien (+1 of -1). Zo’n beweging wordt een spin genoemd. In de praktijk zou elk type probleem een specifieke Ising-machine vereisen. In de jaren 80 voerden John Hopfield en David Tank werk rond neurale netwerken, waar elke artificiële neuron een spin representeert. Recent heeft D-Wave het fenomeen quantum tunnelling getuned door middel van quantum bits in hun laagste energiestaat, naar analogie met het Ising-model.

Golven

HPE gelooft echter dat optische circuits de toekomst zijn op relatief korte termijn. Om de werking van de chips uit te leggen, gebruikt Fiorentino graag de analogie met twee stenen die in het water worden gegooid. Die creëren twee golven die je kan optellen, aftrekken of interfereren om nieuwe lage en hoge punten in het water te hebben. Dit blijf je herhalen tot je het meest optimale resultaat hebt.

Fiorentino: “Op microschaal is silicon transparant voor laserlicht. Hierdoor kunnen we analoge acties toepassen. We gebruiken een paar kanalen (waveguides), elk met twee inputs en twee outputs. Terwijl we de relatieve fase van twee laser inputs veranderen (stenen op verschillende momenten in het water gooien), kunnen we het licht sturen van één output naar de andere.”

 

“Als we dit concept kunnen uitwerken tot een volwaardig component, schrijven we geschiedenis.”

 

Het klinkt allemaal theoretisch, maar HPE heeft dit concept werkend gekregen op verschillende prototypes. Fiorentino gelooft dat het concept kan worden opgeschaald tot 100.000 optische componenten. Belangrijk: HPE acht dit mogelijk met de huidige chipbaktechnieken die vandaag beschikbaar zijn. “Het doel is om deze chip in een klassieke computer in te pluggen. We weten hoe de API’s zullen werken en 95 procent van de compute stack is al in orde.”

Geschiedenis schrijven

Een speciale compiler bepaalt vooraf de verschillende fases van de waves. De solver loopt tot het in een stabiele staat terecht komt. Fiorentino: “Dit proces duurt maar een paar milliseconden. Daarna kunnen we het resultaat bewonderen door naar de nodes te kijken. Vanuit de theorie weten we dat de tijd tot de oplossing niet-exponentieel groeit. Bij quantum annealing is dat wel het geval.”

“Als we dit concept kunnen uitwerken tot een volwaardig component dat dagdagelijkse NP-hard-problemen kan aanpakken, schrijven we geschiedenis.”

Wanneer kunnen we deze potentieel revolutionaire chip verwachten? Er zijn volgens HPE geen deadlines omdat het project nog in de kinderschoenen staat. De prototypes zijn er, maar de basisfysica waar deze optische systemen tot een equilibrium komen, moeten nog grondig worden onderzocht. Hetzelfde geldt voor de potentiële competitiviteit vergeleken met traditionele machines.

Gerelateerd: Hoe HPE met zuinige neurale netwerkchips Intel en Nvidia wil uitdagen