Теперь совершенно новый тип компьютера, сочетающий оптическую и электрическую обработку данных, как сообщил 20 октября в журнале Science, может обойти это надвигающееся ограничение обработки и решить эти проблемы. Если его можно увеличить, этот нетрадиционный компьютер может сэкономить средства за счет поиска более оптимальных решений проблем, которые имеют невероятно большое количество возможных решений.«Это в некотором смысле первая машина в своем классе, и идея состоит в том, что она открывает дополнительную область исследований в области нетрадиционных вычислительных машин», — сказал Питер МакМахон, докторант в области прикладной физики и физики. соавтор статьи. «Есть много, много вопросов, которые вызывает это развитие, и мы ожидаем, что в течение следующих нескольких лет несколько групп будут исследовать этот класс машин и выяснять, как этот подход будет работать».
Задача коммивояжераСуществует особый тип задач, называемый проблемой комбинаторной оптимизации, которую традиционным компьютерам трудно решить, даже приблизительно. Примером может служить так называемая проблема «коммивояжера», когда продавец должен посетить определенный набор городов, каждый только один раз, и вернуться в первый город, а продавец хочет выбрать наиболее эффективный маршрут. Эта проблема может показаться простой, но количество возможных маршрутов чрезвычайно быстро увеличивается по мере добавления городов, и это лежит в основе того, почему проблему трудно решить.
«Эти проблемы сложны для стандартных компьютеров, даже для суперкомпьютеров, потому что по мере роста размеров в какой-то момент требуется возраст Вселенной, чтобы найти все возможные решения», — сказал Алиреза Маранди, бывший научный сотрудник Стэнфордского университета. -автор исследования. «Это верно даже для суперкомпьютера, потому что возможности растут очень быстро».Может возникнуть соблазн просто отказаться от коммивояжера, но решение таких сложных задач оптимизации может иметь огромное влияние в широком диапазоне областей. Примеры включают поиск оптимального пути для грузовиков доставки, минимизацию помех в беспроводных сетях и определение того, как складываются белки.
Даже небольшие улучшения в некоторых из этих областей могут привести к огромной денежной экономии, поэтому некоторые ученые потратили свою карьеру на создание алгоритмов, которые дают очень хорошие приблизительные решения этого типа проблем.Машина Изинга
Команда Стэнфорда построила так называемую машину Изинга, названную в честь математической модели магнетизма. Машина действует как перепрограммируемая сеть искусственных магнитов, где каждый магнит направлен только вверх или вниз, и, как и настоящая магнитная система, ожидается, что она будет работать с низким энергопотреблением.Теория состоит в том, что, если соединения между сетью магнитов могут быть запрограммированы так, чтобы представлять рассматриваемую проблему, как только они выберут оптимальные низкоэнергетические направления, с которыми они должны столкнуться, решение может быть получено из их конечного состояния. В случае коммивояжера каждый искусственный магнит в машине Изинга представляет положение города на определенном пути.
Вместо того, чтобы использовать магниты на сетке, команда из Стэнфорда использовала особый вид лазерной системы, известный как вырожденный параметрический генератор оптических сигналов, который при включении будет представлять «вращение», направленное вверх или вниз. Импульсы лазера представляют положение города на пути, по которому может идти продавец. В более ранней версии этой машины (опубликованной два года назад) члены команды извлекали небольшую часть каждого импульса, задерживали ее и добавляли контролируемое количество этой части к последующим импульсам.
Говоря языком коммивояжера, именно так они программируют машину со связями и расстояниями между городами. Связь между импульсами составляет программирование проблемы.
Затем машину включают, чтобы попытаться найти решение, которое может быть получено путем измерения конечных выходных фаз импульсов.Проблема в этом предыдущем подходе заключалась в соединении большого количества импульсов произвольно сложными способами. Это было выполнимо, но требовалось добавить управляемую оптическую задержку для каждого импульса, что было дорогостоящим и трудным для реализации.
Увеличение масштабаПоследняя машина Stanford Ising показывает, что можно сделать значительно более доступную и практичную версию, заменив управляемые оптические задержки цифровой электронной схемой.
Схема имитирует оптические связи между импульсами, чтобы запрограммировать проблему, а лазерная система все еще решает ее.Почти все материалы, из которых изготовлена эта машина, представляют собой стандартные элементы, которые уже используются в телекоммуникациях. Это, в сочетании с простотой программирования, упрощает масштабирование.
Машина Стэнфорда в настоящее время способна решать задачи с 100 переменными с любым произвольным набором связей между переменными, и она была протестирована на тысячах сценариев.Группа NTT в Японии, которая консультировалась с командой Стэнфорда, также создала независимую версию машины; его исследование было опубликовано вместе со Стэнфордским журналом Science. На данный момент машина Изинга все еще отстает от вычислительной мощности традиционных цифровых компьютеров, когда дело доходит до комбинаторной оптимизации. Но он быстро набирает обороты, и исследователи с нетерпением ждут возможности увидеть, какие еще работы будут возможны на основе этого прорыва.
«Я думаю, что это захватывающий путь исследования для поиска альтернативных компьютеров. Он может приблизить нас к более эффективным способам решения некоторых из самых сложных вычислительных проблем, которые у нас есть», — сказал Маранди. «Пока что мы создали компьютер на основе лазера, который может решить некоторые из этих проблем, и мы уже показали некоторые многообещающие результаты».