Supremacja kwantowa: wyścig Google, IBM i rywali o milowy kamień kubitów

John Martinis, lider zespołu badawczego Google'a zajmującego się obliczeniami kwantowymi, powiedział w kwietniu 2017 roku w MIT Technology Review, że jego około 25-osobowy zespół zbuduje urządzenie zdolne do osiągnięcia „supremacji kwantowej” do końca tego roku. Celem była siatka 49 kubitów. Sprzęt, który miał wtedy do pokazania, miał ich sześć.

Przepaść między zapowiedzią a krzemem to przydatna soczewka na wyścig o kamienie milowe w obliczeniach kwantowych. Pod koniec dekady stał się on konkursem o słownictwo równie mocno, co o fizykę. Google, IBM, Intel, Microsoft i grupa startupów promowali własne wskaźniki postępu. Liczby się zmieniały. Definicje nie ustabilizowały się.

Sześciokubitowy kamień milowy

Sześciokubitowy chip Google'a, opisany przez Martinisa na konferencji IEEE TechIgnite w Burlingame w Kalifornii, układał kubity w konfiguracji 2 na 3. Chodziło nie o surową liczbę. O pokazanie, że technologia nadal działa, gdy kubity siedzą obok siebie, tak jak będzie to konieczne w większych urządzeniach. Chip testował też metodę produkcji, w której kubity i konwencjonalne okablowanie sterujące nimi są tworzone na osobnych chipach, a następnie łączone metodą „bump bonding”. Zespół Google'a skupił się na tym podejściu od momentu założenia, nieco ponad dwa lata wcześniej, mając na celu eliminację dodatkowych linii sterujących, które mogą interferować z funkcją kubitów.

„Ten proces działa”, powiedział Martinis w MIT Technology Review. „Teraz jesteśmy gotowi, żeby ruszyć szybko.”

Martinis dołączył do Google'a na przełomie 2014 roku z University of California, Santa Barbara, gdzie pozostał profesorem. Simon Gustavsson z MIT, główny badacz w grupie badawczej obliczeń kwantowych, opisał przywództwo w dziedzinie jako „sporo porównywalne między Google a IBM”. Chris Monroe, profesor z University of Maryland i współzałożyciel startupu IonQ, był bezpośredni co do tego, co oznaczałaby demonstracja supremacji: „Będzie to kamień milowy akademicki. Potem nadal trzeba wymyślić, jak uczynić go bardziej skalowalnym i programowalnym.”

Martinis zgodził się, że wiele jeszcze przed nimi. Uważał, że eksperyment może stać się benchmarkiem dla każdego, kto twierdzi, że ma działający komputer kwantowy, i powiedział, że ten cel pomógł managerom Google'a i współzałożycielowi Sergeyowi Brinowi docenić, że technologia staje się realna. „Wszyscy to rozumieją i są z tego bardzo podekscytowani”, stwierdził.

IBM odpowiada 50 kubitami

IBM wyprzedził wszystkich w nagłówkowej liczbie. W piątek 10 listopada 2017 roku Dario Gil, który kierował działem badań nad obliczeniami kwantowymi i sztuczną inteligencją w IBM, powiedział, że naukowcy firmy pomyślnie zbudowali i zmierzyli prototyp procesora z 50 kubitami. Gil nazwał to pierwszym przypadkiem, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali, zgodnie z raportem Associated Press zamieszczonym w The Seattle Times.

Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej z MIT, nie zaangażowany w badania IBM, powiedział, że prawdopodobnie IBM wciąż miał błędy do wyłapania, ale że ogłoszenie było znakiem znaczącego postępu. Artykuł nie oferował niezależnej weryfikacji twierdzenia o wydajności.

Miesiąc później, na pierwszej konferencji biznesowej dotyczącej obliczeń kwantowych w NASA Ames, Martinis sprzeciwił się liczeniu kubitów jako tablicy wyników. „Komunikaty prasowe zawsze mówią o wyścigu kosmicznym w liczbie kubitów”, powiedział, według Gizmodo. „To nie tylko kwestia ilości, to kwestia jakości kubitów.”

Gizmodo raportował 8 grudnia 2017 roku, że Google wtedy wytwarzał swoje urządzenie supremacji z 49 lub 50 kubitów, z testami rozpoczynającymi się za dwa tygodnie, nie licząc opóźnień związanych z przerwą świąteczną. Tekst szkicował również, co miałoby obejmować test: splątanie kubitów, pozwolenie systemowi na ewolucję i pobieranie wyników, których rozkład prawdopodobieństwa jest tak złożony, że maszyna klasyczna musi symulować komputer kwantowy, aby je zweryfikować, potencjalnie spędzając tygodnie na tym, co urządzenie kwantowe robi w minuty. Teoretyk z Caltech, John Preskill, który uczestniczył, opisał ten moment jako erę NISQ, czyli Noisy, Intermediate-Scale quantum computer.

Supremacja ogłoszona, a potem kwestionowana

Twierdzenie pojawiło się we wrześniu 2019 roku. Fortune uzyskał kopię artykułu Google'a, który wcześniej w tym tygodniu został opublikowany na NASA.gov, zanim został zdjęty. Rzecznik Google'a odmówił potwierdzenia autentyczności artykułu i jego wyników. Źródło w Google poinformowane o sytuacji zasugerowało, że NASA przypadkowo opublikowała go za wcześnie, przed recenzją koleżeńską, która może trwać od tygodni do miesięcy. Financial Times po raz pierwszy poinformował o tej sprawie.

Centralne liczby w artykule były ostre. „Podczas gdy nasz procesor potrzebuje około 200 sekund, aby pobierać jedną instancję obwodu kwantowego 1 000 000 razy, najnowocześniejszy superkomputer potrzebowałby około 10 000 lat, aby wykonać równoważne zadanie”, napisali badacze. Chip o nazwie Sycamore zawierał 53 kubity. Zespół zrezygnował z projektu 72-kubitowego o nazwie Bristlecone. Na serwerze Google Cloud, jak szacowali badacze, ten sam eksperyment zająłby 50 bilionów godzin; na procesorze kwantowym 30 sekund. Napisali, że przyspieszenie kwantowe jest „osiągalne w systemie rzeczywistym i nie jest wykluczone przez żadne ukryte prawa fizyki”, i przewidzieli, że moc obliczeniowa komputerów kwantowych będzie rosła w tempie podwójnie wykładniczym, szybciej niż prawo Moore’a.

Nie wszyscy przyjęli to ujęcie. Dario Gil, szef IBM Research, powiedział Fortune, że eksperyment to bardzo specjalistyczna demonstracja laboratoryjna „bez praktycznych zastosowań”, i odradzał używanie supremacji kwantowej jako wskaźnika postępu. „Eksperyment i termin 'supremacja' zostaną źle zrozumiane przez niemal wszystkich”, stwierdził. „Komputery kwantowe nigdy nie będą 'suprematyczne' nad komputerami klasycznymi, ale będą działać z nimi we współpracy, ponieważ każdy ma swoje unikalne mocne strony.” Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał to „znaczącym kamieniem milowym” i powiedział, że komercyjnie wykonalny komputer kwantowy wymagałby wielu dalszych postępów w badaniach i rozwoju. „Chociaż rozwój jest wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii”, powiedział.

Problem z metryką

IBM już zaczął argumentować za innym miernikiem. W marcu 2019 roku, jak raportował ZDNET, IBM przedstawił swoje najwyższe do tej pory Quantum Volume na spotkaniu American Physical Society w marcu. Quantum Volume jest określany przez liczbę kubitów, łączność i czas spójności, plus błędy bramkowe i pomiarowe, sprzężenie krzyżowe urządzenia i efektywność kompilatora oprogramowania obwodów. IBM powiedział, że jego Q System One, z 20-kubitowym procesorem, wyprodukował Quantum Volume 16, podwójnie względem ówczesnego IBM Q na poziomie 8, i miał jedne z najniższych stóp błędów zmierzonych przez IBM. IBM stwierdził, że Quantum Volume będzie musiał podwajać się co roku, aby osiągnąć Quantum Advantage, punkt, w którym aplikacje kwantowe dają znaczącą przewagę nad komputerami klasycznymi, w ciągu następnej dekady. Podwajał moc swoich komputerów kwantowych co roku od 2017 roku.

To jest powtarzający się kształt tego wyścigu. Firma ustawia cel, spóźnia się z datą, a potem przedefiniowuje linię mety. Martinis obiecał supremację do końca 2017 roku z 49 kubitami. Google dostarczył twierdzenie w 2019 roku z 53. IBM odpowiedział prototypem z 50 kubitów, a potem złożoną metryką, która uczyniła liczbę kubitów tylko jednym z kilku wejść. Sprzęt jest realny. Tablica wyników nie jest.