Jste zde

Kvantové fotonické procesory Q.ANT pro AI aplikace

Antonín Vojáček, 8. Srpen 2024 - 21:47

Jak blízko jsme ve využívání kvantových výpočtů v běžné praxi? Již dost blízko. Aktuálně dolaďovaná technologie kvantových fotonických obvodů Q.ANT PIC a z nich vytvořených procesorů je provozovatelná již za pokojových teplot a bude umět provádět extrémně rychlé maticové / vektorové násobení využívané ve většině struktur AI.

Problematika a využití kvantových výpočtů

Dnešní výpočetní systémy a počítačové čipy dosahují svých fyzických limitů. S jejich 2-rozměrnými elektronickými mřížkami bude růst výkonu tradičních počítačů stagnovat a spotřebovávat příliš mnoho energie, což omezuje budoucnost umělé inteligence nové generace, hybridních počítačů a neuromorfních počítačů. Posun paradigmatu k tzv. "Native Computing" se zdá být jako velmi užitečný. Pod označením "Native Computing" se skrývá nativní implementace efektivního násobení maticových vektorů, na kterých umělá inteligence zakládá svůj potenciál.

Pro efektivní praktickou realizaci tohoto systému počítání se velmi hodí využití kvantových vlastností světla, resp. jeho fotonů. Využitím paralelismu světla lze zpracování komplexního násobení maticových vektorů přenést do n-rozměrných fotonických sfér. To posouvá hranice výpočetní techniky a umožní realizace aplikací AI, které nejsou dnešními prostředky snadno nedosažitelné.

O použití kvantových výpočtů lze uvažovat v mnoha oblastech. Procesory, které jsou díky kvantovým efektům extrémně výkonné, by v budoucnu například mohly řešit i složité problémy v institucích veřejné správy. V tomto směru společnosti Bundesdruckerei GmbH a Q.ANT spolupracují od roku 2022 v rámci smlouvy na výzkum a vývoj a testují použitelnost kvantových technologií. V rámci tohoto kontraktu byla do procesoru zabudována první generace čipů Q.ANT a pro první funkční testy byl vyvinut systém pro simulaci náhodných čísel. Takové sekvence náhodných čísel se totiž obtížně generují a využívají se například pro šifrování dat. Vzniklý testovací systém byl proto navržený tak, že splňuje testovací kritéria amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) a mohl by poskytnout další bezpečný zdroj náhodných čísel vedle konvenčních fyzických generátorů.

Kvantové optické čipy a jejich možné použití

Společnost Q.ANT spoléhá na vlastní technologickou platformu pro kvantové čipy, kde centrálními součástmi čipů jsou takzvané optické vlnovody, které umožňují řízení světla a kvantových efektů ve vysoce integrované formě. Toto řešení se zdá být vhodné pro zavedení kvantových technologií z laboratoří do každodenních produktů. Proto start-up Q.ANT se sídlem ve Stuttgartu a Institute for Microelectronics Stuttgart (IMS CHIPS) podepsaly minulý rok dohodu o společné výrobě kvantových čipů pro kvantové procesory, které se mají vyrábět v malých sériích za pouhé dva roky. Kvantové čipy jsou považovány za centrální stavební kameny pro kvantové procesory, které v budoucnu poskytnou rychlostní výhodu například v prostředí vysoce výkonných výpočetních center.

Kvantové optické čipy totiž nabízejí následující sadu výhod:

Urychlují zpracování dat
Snižují spotřebu energie
Lze je bez velkých problémů integrovat do infrastruktury HPC
Snadno se škálují

Proto se čipy kvantových procesorů fungující na bázi světla mají v budoucnu používat v celé řadě průmyslových odvětví. Oblasti použití například sahají od lékařské techniky, senzorové techniky a telekomunikaci až po kryptografii, logistiku a finanční sektor. Na rozdíl od mnoha jiných kvantových výpočetních řešení, která pracují při kryogenních teplotách až -273 °C, je fotonické čipy Q.ANT možné provozovat již při pokojové teplotě. To výrazně zjednodušuje integraci do stávajících výpočetních architektur.

K realizaci čipů používá Q.ANT speciální materiálový systém, který propojuje elektronický svět založený na křemíku se světem optickým založeným na manipulaci s fotony. Fotony totiž nativně podporují paralelismus a přístup k vícerozměrným strukturám, což umožňuje jít daleko za hranice standardních 2D struktur rastru elektronických obvodů. Za klíč k tomuto řešení je považován niobát lithný (lithium niobate, LiNbO3), který má jedinečné elektrooptické, piezoelektrické, fotoelastické a nelineární optické vlastnosti, přičemž vykazuje nízké optické ztráty na světle s rozsahem vlnových délek 405 až 2350 nm. Proto se i u svých čipů společnost Q.ANT spoléhá na speciálně vyvinutou technologickou platformu právě s tímto materiálem, který se díky svým dobrým elektrooptickým vlastnostem dokonale hodí pro fotonický přístup ke kvantovým výpočtům.

Parametry provedení kvantových fotonických čipů Q.ANT vyvinutých v roce 2023 a 2024.

Kvantové fotonické procesory Q.ANT

Q.ANT Quantum Photonic Processor je kompletní samostatný výpočetní systém pro zabudování do 19" racku, který v sobě zahrnuje nejen kvantové optické výpočetní jednotky, ale i uživatelské ovládací a programovací rozhraní a rozhraní vstupů a výstupů dat v podobě počítačového stacku.

Optické fotonické procesory Q.ANT nabízejí řadu výhod v oblasti zpracování informací:

Rychlost - fotony se pohybují rychlostí světla, díky čemuž jsou fotonické procesory výjimečně rychlé pro přenos informací a výpočty.
Škálovatelnost - systémy lze snadněji škálovat pro více qubitů přidáním více optických komponent.
Koherence - fotony jsou ve srovnání s jinými implementacemi qubitů jen velmi málo náchylné na okolní rušení a dekoherenci, díky čemuž jsou robustnější a stabilnější.
Nízká spotřeba energie - procesory pracují při pokojových teplotách a spotřebovávají méně energie ve srovnání s jinými implementacemi kvantových počítačů.
Integrace se stávající optickou technologií - použití fotonů je v souladu se stávajícími optickými technologiemi, což potenciálně umožňuje snadnější integraci do současných systémů přenosu a zpracování dat.

Porovnání parametrů Q.ANT procesorů vyvinutých v roce 2023 a 2024.

Princip funkce kvantových fotonických procesorů

Jádrem pro Q.ANT Quantum Photonic Processor je kvantový fotonický integrovaný obvod PIC (Photonic Integrated Circuit), kde právě centrálními součástmi čipů jsou optické vlnovody a různé další optické stavební bloky. Ty umožňují řízení světla a to ve vysoce integrované podobě.

Jako nosiče informací zde slouží tzv. kvantové bity (Qbity či qubity), zde tedy založené na fotonech světla. Prostorovou a časovou manipulací s fotony prostřednictvím modulátorů jsou generovány kvantové efekty, na nichž je právě založena realizace jednotlivých Qbitů a operací s nimi. Pro optické prvky pak Q.ANT spoléhá na již zmíněnou technologii niobátu lithného na izolátoru (Lithium Niobate On Insulator = LNOI). V PIC jsou velmi tenké vrstvy niobátu lithného naneseny na křemík a poté strukturovány do optických vlnovodů. A právě toto řešení přináší pro realizaci Qbitů ideální vlastnosti. Přivedením napětí totiž umožňuje využít elektrooptický efekt materiálu LNOI a tak dovoluje manipulovat s Qbity beze ztrát.

PIC založené na LNOI tak vykazují následujících několik hlavních výhod:

Žádné přeslechy mezi optickými modulátory kvůli elektrickým polím a změnám indexu lomu ve vlnovodech.
Rychlejší modulace a rychlosti přepínání v rozsahu MHz, aplikace tolerantnější ke ztrátám mohou dokonce dosáhnout GHz.
Přímá a bezztrátová integrace účinných kvantových světelných zdrojů a Mach-Zehnderových interferometrů do jediného čipu.
Provoz již při pokojové teplotě bez extrémního chlazení.

Navíc optimalizovaný design přináší všechny požadované prvky na jediném monolitickém čipu a tím vyniká nad všemi současnými alternativami používanými pro Photonic Quantum Computing (tj. pro realizaci rychlých a efektivních optických kvantových počítačových procesorů).

Základní struktura Q.ANT fotonického čipu

Hlavní jádro výše uvedených Q.ANT kvantových fotonických procesorů, resp. v nich využívajících obvodů PIC, je tedy fotonický čip, který se skládá z následujících základních částí:

1) Laserový zdroj - vysílá klasické světelné vlny do vlnovodu.
2) Vlnovody - vedou částice světla (fotony) vodivými cestami.
3) Interference fotonů - s fotony se manipuluje prostřednictvím stavebních bloků na čipu, jako jsou modulátory nebo rezonátory.
4) Interakce - na vlnovodu v úzkých bodech dochází k interakcím prostřednictvím děličů paprsků, a tak fotony mohou procházet do druhého vlnovodu.
5) Speciální algoritmy - řídí interakci fotonů a počítají dříve neřešitelné úlohy.
6) Měření - používá se ke čtení informací, které fotony nesou.

Nasazení Q.ANT PIC a Quantum Photonic procesorů do aplikací

Pro co nejsnadnější implementaci do stávajících počítačových systémů Q.ANT vytvořil výpočetní stack (Computing Stack), který umožňuje PIC ovládat snadno ovládat. Ten se také využívá pro realizaci Quantum Photonic procesorů.

Q.ANT Computing stack pro PIC.

Fotonické procesory Q.ANT lze také integrovat do federačních klastrů pomocí technologie kubernetes. Díky tomu jsou algoritmy a fotonické procesory Q.ANT přístupné prostřednictvím cloudu a to uživatelům umožňuje zkoušet a objevovat optimální abstrakce, vysoce výkonné algoritmy a architektury s fotonickými procesory pro složité aplikační řešení.

Vzdálené cloudové použití Q.ANT Quantum Photonic procesorů do AI aplikací prostřednictvím technologie Kubernetes.

K dispozici je i softwarový rámec společnosti Q.ANT s označením PICChar určený pro vývoj aplikací s využitím fotonických procesorů. Poskytuje v něm kolekci nástrojů, knihoven a API, které umožňují vývojářům experimentovat s fotonickými procesory, vyvíjet algoritmy a vytvářet aplikace, aniž by se museli přímo zabývat vnitřní funkcí procesorů - tj. mohou k fotonickým procesorům Q.ANT přistupovat jako k černé krabičce se vstupy a výstupy a definovanými vlastnostmi.

Q.ANT softwarový rámec PICChar určený pro vývoj aplikací s využitím fotonických procesorů.

Závěr

Německá společnost Q.ANT na dotáhnutí vývoje jejich fotonických procesorů do finálního praktického řešení pro široké portfolio aplikací usilovně pracuje. Do konce tohoto roku by již měl být k dispozici výrobek, který umožní nasazení komplexních maticových vektorových výpočtů pro aplikace využívající umělou inteligenci. To by mělo výrazně urychlit maticové paralelní zpracování dat, které je právě ve většině matematických a statistických modelech síťových struktur systémů AI základní a zásadní často se opakující operací.