Les machines à oscillateur d’Ising prennent le calcul quantique pour un spin classique

Les machines à oscillateur d'Ising prennent le calcul quantique pour un spin classique

Les problèmes d’optimisation combinatoire présentent des paysages « énergétiques » de « spins » dont les minima peuvent être trouvés par Oscillator Ising Machines dans lesquels pour N spins il y a 2N solutions possibles. Ce chiffre représente un problème dans lequel il y a 14 spins et 16 384 solutions possibles. Les creux profonds, représentés ici comme les bleus les plus foncés, représentent de bons minima, c’est-à-dire de bonnes solutions. Crédit : Jaijeet Roychowdhury

Vingt ans après le début du 21e siècle, la demande de puissance de calcul dépasse l’offre à un rythme toujours croissant. Des pandémies mondiales qui nécessitent des conceptions de médicaments à réponse rapide aux réseaux intelligents, aux véhicules autonomes, à l’intelligence artificielle et à l’apprentissage automatique, les scientifiques se démènent pour augmenter les capacités de calcul actuelles jusqu’à ce que l’informatique quantique devienne une réalité pratique.

Les problèmes d’optimisation combinatoire sont particulièrement difficiles. L’exemple classique de tels problèmes est la résolution du trajet le plus court entre un nombre donné de villes qui commence et se termine au même endroit. Ce « problème du voyageur de commerce » devient exponentiellement plus difficile à mesure que le nombre de villes augmente et que les combinaisons d’itinéraires possibles deviennent astronomiques.

Le boursier Bakar Jaijeet Roychowdhury, professeur de génie électrique et d’informatique, a mené une percée qui permet de résoudre des problèmes d’optimisation combinatoire impliquant des millions de résultats possibles avec une vitesse et une efficacité de type ordinateur quantique en utilisant des circuits intégrés conventionnels métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) . Ses Oscillator Ising Machines (OIM) codent les problèmes d’optimisation combinatoire sous la forme d’un « paysage énergétique » de spins magnétiques – une propriété quantique des électrons oscillants – dans laquelle la solution est déterminée par la configuration d’énergie la plus basse des spins d’oscillateur synchronisés ou couplés.

La synchronisation des oscillations électroniques permet aux OIM de résoudre les problèmes d’optimisation combinatoire sur des puces CMOS miniaturisées à faible consommation et relativement peu coûteuses sans problèmes techniques coûteux, tels que les températures opérationnelles cryogéniques, requises par d’autres stratégies d’optimisation combinatoire.

Q : Vous avez dit que la clé du succès de vos OIM réside dans des oscillateurs conçus de manière appropriée. Qu’est-ce qui fait un design « approprié » ?

R : Contrairement aux conceptions d’oscillateurs électroniques standard, les oscillateurs de notre puce OIM sont conçus avec des propriétés de verrouillage par injection qui favorisent un couplage efficace. Notre choix de couplages entre oscillateurs est également important. Alors que les valeurs de couplage relatives sont définies par le problème d’optimisation combinatoire en cours de résolution, il existe une liberté dans le choix des valeurs absolues. Ces valeurs doivent être informées par la nature des oscillateurs, ainsi que par des considérations de technologie CMOS. Un autre aspect important d’une conception appropriée est le choix du signal de synchronisation qui fait passer chaque oscillateur d’un mode de fonctionnement numérique à un mode de fonctionnement analogique et vice-versa.

Q : Pour synchroniser les oscillateurs électroniques de vos OIM, vous êtes-vous inspiré de l’utilisation naturelle d’oscillations synchronisées pour optimiser l’efficacité énergétique ?

R : Oui et non. Je m’intéresse aux oscillateurs depuis l’enfance lorsque j’ai essayé de réparer la radio à tube à vide de ma grand-mère. Ma tentative a échoué mais m’a intéressé à comprendre comment fonctionnent les oscillateurs. Au fil des ans, j’ai appris que les explications standard des oscillateurs électroniques sont trop simplistes et en fait manifestement fausses à certains égards. Dans notre groupe, nous avons réalisé que le verrouillage par injection dans la synchronisation biologique, comme le clignotement synchronisé des lucioles, peut être appliqué à l’électronique pour fabriquer des ordinateurs von-Neumann avec des oscillateurs au lieu de registres standard. La découverte d’un aspect énergétique du verrouillage par injection était sans doute l’étape clé qui a engendré les OIM.

Q : La configuration d’énergie la plus basse des rotations dans un paysage énergétique OIM est-elle analogue à la distance de déplacement minimale dans le problème du vendeur itinérant (TSP) ?

R : Oui, la distance minimale pour le TSP correspond à la configuration d’énergie minimale dans notre formulation OIM, mais pour trouver la solution OIM, le TSP doit être refondu sous la forme Ising. Cela signifie que la résolution de N villes dans le problème TSP nécessite N2 spins sous la forme d’Ising. Par exemple, si vous vouliez voyager entre 100 villes, vous devez résoudre un problème d’Ising avec environ 10 000 tours ; si vous vouliez voyager entre 10 000 villes, alors vous auriez besoin de 100 millions de tours Ising ! C’est un grand nombre, mais la mise à l’échelle d’un grand nombre de spins est l’un des principaux avantages des OIM, car vous pouvez placer des milliards de transistors CMOS sur une petite puce. Les puces de processeur de chaque ordinateur et téléphone portable contiennent autant de transistors et de puces OIM avec 100 millions de tours ou plus qui devraient être relativement faciles à construire une fois que nous aurons montré la voie avec des versions plus petites.

Q : Selon vous, quelles sont les applications les plus immédiates pour les OIM ?

R : L’un des avantages de nos OIM est qu’ils ne se soucient pas du domaine d’application dont provient le problème qu’ils résolvent. Tant que le problème est sous la forme Ising et que les OIM peuvent être programmés avec, ils fonctionneront. De plus, pratiquement tous les problèmes d’optimisation combinatoire, où qu’ils se posent, peuvent être exprimés sous la forme Ising. Cela dit, une règle générale dans la recherche est qu’il est extrêmement utile de se concentrer sur la résolution d’un problème final particulier. Comme une grande partie de la communauté Ising, nous nous sommes concentrés sur le problème MAX-CUT dans les graphiques, pour lequel il existe des références largement disponibles. Nous étudions également les problèmes d’optimisation combinatoire dans les communications.

Q : Comment avez-vous utilisé votre bourse Bakar pour faire avancer la recherche sur les OIM ?

R : La bourse Bakar nous a permis de nous concentrer sur la conception de puces OIM, ainsi que sur le développement d’applications de communication.


La réalisation d’un solveur hamiltonien d’Ising basé sur des nano-oscillateurs couplés à transition de phase


Fourni par l’Université de Californie – Berkeley

Citation: Les machines à oscillateur Ising prennent le calcul quantique pour un spin classique (2021, 8 septembre) récupéré le 8 septembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-09-oscillator-ising-machines-quantum-classical.html

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