Przewaga kwantowa Google: 200 sekund kontra 10 000 lat

Fortune uzyskało kopię pracy Google, która na krótko pojawiła się na NASA.gov, zanim została usunięta. Rzecznik Google odmówił potwierdzenia autentyczności dokumentu i jego wyników, a NASA nie odpowiedziała na prośbę o komentarz. O sprawie napisało Fortune 20 września 2019 roku.

Według publikacji procesor Google potrzebował około 200 sekund, aby 1 000 000 razy wylosować jedno wystąpienie obwodu kwantowego. Badacze napisali, że najnowocześniejszy superkomputer potrzebowałby około 10 000 lat na wykonanie równoważnego zadania. Szacowali, że ten sam eksperyment na serwerze Google Cloud zająłby 50 000 000 000 000 godzin. Na procesorze kwantowym trwał 30 sekund.

„Przyspieszenie kwantowe jest osiągalne w rzeczywistym systemie i nie jest wykluczone przez żadne ukryte prawa fizyki” – napisali badacze. Przewidzieli również, że moc obliczeniowa komputerów kwantowych będzie „rosła w tempie podwójnie wykładniczym”, szybciej niż tempo wykładnicze definiujące prawo Moore'a.

Sycamore, Bristlecone i liczby stojące za twierdzeniem

Maszyna nazwana Sycamore zawierała 53 kubity. Zespół zrezygnował z 72-kubitowego urządzenia Bristlecone, które zaprojektował wcześniej. Eksperyment polegał na próbkowaniu losowo generowanych liczb powstałych w specjalnym scenariuszu z udziałem zjawisk kwantowych. Badacze stwierdzili, że ich komputer kwantowy pokonał klasyczne komputery w tym zadaniu, które wymagało obliczenia wyjścia określonych specjalistycznych obwodów.

„Procesory kwantowe oparte na nadprzewodzących kubitach mogą teraz wykonywać obliczenia... poza zasięgiem najszybszych klasycznych superkomputerów dostępnych dziś” – napisali badacze. „Z naszej wiedzy wynika, że ten eksperyment to pierwsze obliczenie, które można wykonać wyłącznie na procesorze kwantowym”.

Fortune odnotowało, że źródło w Google zasugerowało, iż NASA przypadkowo opublikowała pracę za wcześnie, zanim twierdzenia zespołu zostały gruntownie zweryfikowane w recenzji naukowej. Proces ten może trwać od kilku tygodni do kilku miesięcy. Fortune stwierdziło, że jeśli praca wytrzyma krytykę, będzie to moment przełomowy w nauce kwantowej, obalający wątpliwości, że jakieś nieprzewidziane prawo natury może uniemożliwić działanie komputerów kwantowych zgodnie z oczekiwaniami.

Twierdzenie nie przeszło bez sprzeciwu.

Dario Gil, szef IBM Research, odradzał używanie terminu „przewaga kwantowa” jako miary postępu w tej dziedzinie. „Eksperyment i termin 'przewaga' zostaną źle zrozumiane przez niemal wszystkich” – powiedział Fortune. Gil opisał eksperyment jako wysoce specjalny „eksperyment laboratoryjny”, który „nie ma praktycznych zastosowań”. Dodał: „Komputery kwantowe nigdy nie będą 'panować' nad klasycznymi, będą raczej działać w porozumieniu z nimi, ponieważ każde mają swoje unikalne mocne strony”.

Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał aktualizację Google „znaczącym kamieniem milowym”. Stwierdził, że „komercyjnie opłacalny komputer kwantowy będzie wymagał” wielu postępów w badaniach i rozwoju, zanim stanie się rzeczywistością. „Choć rozwój jest wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii” – dodał Clarke.

Jak Google do tego doszedł

Wynik jest następstwem celu, który Google ogłosił publicznie dwa lata wcześniej. W kwietniu 2017 roku MIT Technology Review donosiło, że John Martinis, kierujący grupą badawczą Google ds. kwantowych, dał sobie kilka miesięcy na osiągnięcie kamienia milowego w historii informatyki. Do końca tego roku, mówił Martinis, jego zespół zbuduje urządzenie, które osiągnie „przewagę kwantową”, czyli wykona konkretne obliczenie poza zasięgiem każdego konwencjonalnego komputera. Dowodem miał być wyścig między chipem Google a jednym z największych superkomputerów świata.

„Uważamy, że jesteśmy gotowi przeprowadzić ten eksperyment. To coś, co możemy zrobić teraz” – mówił wtedy Martinis.

Jednym z powodów jego pewności był nowy chip z sześcioma kubitami ułożonymi w konfiguracji 2x3. Według Martinisa pokazał on, że technologia firmy wciąż działa, gdy kubity leżą obok siebie, tak jak w większych urządzeniach. Testował też metodę produkcji, w której kubity i konwencjonalne okablowanie sterujące są wytwarzane na osobnych chipach, a następnie łączone metodą bump bonding. To podejście ma wyeliminować dodatkowe linie sterujące, które mogą zakłócać działanie kubitów.

„Ten proces działa” – mówił Martinis. „Teraz jesteśmy gotowi ruszyć szybko”. Projekty urządzeń z 30 do 50 kubitów były już w przygotowaniu, a do eksperymentu z przewagą potrzebował siatki 49 kubitów.

Już wtedy badacze spierali się, co ten kamień milowy będzie oznaczał. „To będzie kamień milowy o znaczeniu akademickim” – powiedział Chris Monroe, profesor na Uniwersytecie Maryland i współzałożyciel startupu komputerów kwantowych IonQ. „Potem wciąż trzeba wymyślić, jak uczynić to bardziej skalowalnym i programowalnym”. Martinis zgodził się, że wiele pozostaje do zrobienia, ale twierdził, że eksperyment może stać się punktem odniesienia dla każdego, kto twierdzi, że ma działający komputer kwantowy.

W grudniu 2017 roku wyścig przyciągnął publiczność biznesową. Na pierwszej konferencji Q2B, zorganizowanej w NASA Ames, przedstawiciele firm motoryzacyjnych i lotniczych, dużych banków, firm software'owych i wojska spotkali się z ekspertami, przedsiębiorcami i profesorami. Gizmodo donosiło, że Google było wtedy w trakcie wytwarzania swojego urządzenia o 49 lub 50 kubitach i miało zacząć testy za dwa tygodnie, nie licząc opóźnień związanych z przerwą świąteczną, według Martinisa.

Na tym samym wydarzeniu Martinis sprzeciwił się sposobowi prezentowania postępu. „Komunikaty prasowe zawsze mówią o kwantowym wyścigu w liczbie kubitów” – powiedział. „To więcej niż sama ilość, liczy się jakość kubitów”.

Konkurencyjny kamień milowy IBM

Google nie był sam w ogłaszaniu pierwszeństwa. 10 listopada 2017 roku Associated Press poinformowała, że IBM zbudował i zmierzył prototyp procesora z 50 kubitami kwantowymi. Dario Gil, kierujący działem badań IBM nad obliczeniami kwantowymi i sztuczną inteligencją, powiedział, że to pierwszy raz, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali.

Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej MIT niezwiązany z badaniami IBM, powiedział, że IBM prawdopodobnie wciąż ma usterki do usunięcia, ale nazwał ogłoszenie o 50 kubitach oznaką znaczącego postępu.

IBM publikował kolejne kamienie milowe. ZDNET donosiło w marcu 2019 roku, że IBM Q System One, który ma 20-kubitowy procesor, osiągnął Quantum Volume 16, dwa razy więcej niż ówczesny IBM Q, który miał Quantum Volume 8. IBM opisał Quantum Volume jako miarę wydajności wyznaczaną przez liczbę kubitów, łączność i czas koherencji, z uwzględnieniem błędów bramek i pomiarów, przesłuchów w urządzeniu i wydajności kompilatora oprogramowania obwodów. IBM twierdził, że Quantum Volume będzie musiał podwajać się co roku, aby w ciągu najbliższej dekady osiągnąć Quantum Advantage, punkt, w którym zastosowania kwantowe dają znaczące przewagi nad klasycznymi komputerami.

W Google zespół przedstawiał swój wynik jako przejście, nie przybycie. „W wyniku tych osiągnięć obliczenia kwantowe przechodzą od tematu badawczego do technologii, która odblokowuje nowe możliwości obliczeniowe” – napisali badacze. „Dzieli nas tylko jeden twórczy algorytm od wartościowych zastosowań w najbliższej przyszłości”.