Tietokonetekniikan kehitys yltää monimutkaisiin optimointiongelmiin

Kombinatorisien optimointiongelmien ratkaiseminen vaatii laitteistoratkaisuja, jotka ylittävät perinteisen von Neumann -arkkitehtuurin. Tällaiset ongelmat ovat yleisiä reaalimaailman sovelluksissa, kuten tietoliikenteen järjestämisessä, aikataulutuksessa ja matkareittisuunnittelussa tehokkuuden maksimoimiseksi.

Valitettavasti nykyteknologiat kohtaavat rajoituksia siinä, kuinka paljon prosessointitehoa voidaan pakata tietokonesiruun, kun taas tekoälymallien kouluttaminen vaatii valtavia määriä energiaa.

UCLA:n ja UC Riversiden tutkijat ovat esitelleet uuden lähestymistavan, joka voittaa nämä esteet ja ratkaisee joitakin vaikeimmista optimointiongelmista.

Tiimi suunnitteli järjestelmän, joka käsittelee informaatiota oskillaattoreista muodostetun verkon avulla. Oskillaattorit värähtelevät tietyillä taajuuksilla, sen sijaan, että kaikki data esitettäisiin digitaalisesti. Tämän tyyppinen tietokonearkkitehtuuri, jota kutsutaan Ising-koneeksi, on erityisen tehokas rinnakkaislaskentaan, jossa suoritetaan useita monimutkaisia laskutoimituksia samanaikaisesti. Kun oskillaattorit ovat synkronoituja, optimointiongelma on ratkaistu.

Tutkijat raportoivat laitteesta, joka perustuu tiettyihin kvanttiominaisuuksiin, jotka yhdistävät sähköisen aktiivisuuden materiaalin läpi kulkeviin värähtelyihin. Toisin kuin useimmat nykyiset kvanttisovellukset laskennassa, jotka vaativat erittäin matalia lämpötiloja "kvanttisuutensa" ylläpitämiseksi, tutkijoiden laite pystyy kuitenkin toimimaan huoneenlämmössä.

”Lähestymistapamme on fysiikasta inspiroitunut laskenta, joka on viime aikoina noussut lupaavaksi menetelmäksi monimutkaisten optimointiongelmien ratkaisemiseksi”, sanoo vastaava kirjoittaja Alexander Balandin. ”Se hyödyntää fysikaalisia ilmiöitä, joihin liittyy vahvasti korreloiva elektroni-fononi kondensaatti, laskennan suorittamiseen suoraan fysikaalisten prosessien kautta, mikä saavuttaa suuremman energiatehokkuuden ja nopeuden.”

Tutkimus osoitti, että oskillaattorit kehittyvät perustilaan luonnostaan, jossa ne synkronoidaan, jolloin kone pystyy ratkaisemaan kombinatorisia optimointiongelmia.

Balandin ja hänen kollegansa käyttivät erityistä materiaalia kuroakseen umpeen kuilun kvanttimekaniikan – subatomisten hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia säätelevien epäloogisten sääntöjen – ja arkielämän tutumman fysiikan välillä. Heidän prototyyppilaitteistonsa perustuu tantaalisulfidiin, "kvanttimateriaaliin", jonka avulla on mahdollista paljastaa sähköisten ja värähtelyvaiheiden välinen kytkentä.

Uudella teknologialla on potentiaalia pienen tehonkäytön toimintaan; samalla se voi olla yhteensopiva perinteisen piiteknologian kanssa.

”Kaikki uudet fysiikkaan perustuvat laitteistot on integroitava digitaaliseen piipohjaiseen CMOS-teknologiaan, jotta ne vaikuttaisivat datankäsittelyjärjestelmiin”, sanoo Alexander Balandin, UCLA:n California NanoSystems Instituten (CNSI) jäsen. ”Tähän demonstraatioon valitsemamme kaksiulotteinen varaustiheysaaltomateriaali tarjoaa potentiaalia tällaiseen integrointiin.”

Aiheesta aiemmin:

Fotoninen tietojenkäsittely askeltaa kohti toteutumista

Kvanttiedulla liikkuva maali

P-tietokoneiden potentiaali