Termin Google na supremację kwantową: 49 kubitów do końca 2017 roku

John Martinis kieruje grupą obliczeń kwantowych w Google. Dał sobie zaledwie kilka miesięcy na osiągnięcie kamienia milowego w historii informatyki. Do końca 2017 roku jego zespół miał zbudować urządzenie osiągające "supremację kwantową", czyli obliczenie poza zasięgiem jakiegokolwiek klasycznego komputera.

"Uważamy, że jesteśmy gotowi przeprowadzić ten eksperyment. To coś, co możemy zrobić teraz" - powiedział Martinis w tekście opublikowanym w MIT Technology Review 21 kwietnia 2017 roku.

Sześć kubitów, 49 kubitów i dzieląca je różnica

Liczby mają tu znaczenie. Najnowszy chip Google miał wtedy sześć kubitów w układzie dwa na trzy, podało MIT Technology Review. Martinis powiedział, że taki układ był testem: pokazywał, że technologia firmy wciąż działa, gdy kubity leżą obok siebie, tak jak w większych urządzeniach. Ten sam chip sprawdzał metodę produkcji, w której kubity i klasyczne okablowanie sterujące powstają na osobnych chipach, a potem są łączone przez bump bonding. Zespół Google skupił się na tej metodzie od momentu powstania nieco ponad dwa lata wcześniej, bo dodatkowe linie sterujące w większym chipie mogą zakłócać pracę kubitów.

Eksperyment supremacji wymagał jednak siatki 49 kubitów, a nie sześciu, mówił Martinis. Wcześniejsze wyniki Google korzystały z dziewięciu kubitów ustawionych w linii. Projekty urządzeń o 30 do 50 kubitach były już w toku. Pokazał krótko obrazy sześciokubitowego chipa na konferencji IEEE TechIgnite w Burlingame w Kalifornii, choć grupa nie ujawniła formalnie szczegółów technicznych.

Google nie był sam w tym wyścigu. MIT Technology Review wymienił Intela, Microsoft i IBM jako konkurentów, obok startupów. Simon Gustavsson, główny badacz w grupie zajmującej się obliczeniami kwantowymi w MIT, określił Google jako jednego z liderów. "Google i IBM są całkiem porównywalne" - powiedział.

Kontroświadczenie IBM

10 listopada 2017 roku IBM poinformował, że jego naukowcy zbudowali i zmierzyli prototyp procesora o 50 bitach kwantowych. Dario Gil, który kierował działem badań IBM nad obliczeniami kwantowymi i sztuczną inteligencją, powiedział, że to pierwszy raz, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali. Podała to Associated Press, która opisała tę informację za The Seattle Times.

Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej w MIT, niezwiązany z badaniami IBM, powiedział, że IBM prawdopodobnie musi jeszcze usunąć usterki, ale ogłoszenie o 50 kubitach nazwał oznaką istotnego postępu.

"Komunikaty prasowe zawsze mówią o wyścigu kwantowym liczbą kubitów. To więcej niż ilość, liczy się jakość kubitów."

Te słowa padły od Martinisa na pierwszej konferencji quantum computing for business, czyli Q2B, zorganizowanej przez startup QCWare w NASA Ames. Gizmodo, które relacjonowało grudniowe wydarzenie z 2017 roku, podało, że Google wytwarzał wtedy swoje urządzenie do supremacji o 49 lub 50 kubitach i miał zacząć testy za dwa tygodnie, nie licząc opóźnień związanych z przerwą świąteczną.

Martinis wyjaśnił też, na czym będzie polegał test. Zespół Google miał splątać kubity w obwód kwantowy i pozwolić układowi ewoluować. Końcowy pomiar mógł przyjmować różne wartości z różnymi prawdopodobieństwami. Ustalenie tych wyników jest tak złożone, że klasyczny komputer musi symulować komputer kwantowy, żeby w ogóle tego dokonać, podało Gizmodo. To mogło zająć tygodnie, podczas gdy maszyna kwantowa wykonywała to samo w kilka minut. Problem nie jest użyteczny dla przemysłu. To test porównawczy.

Czym ten kamień milowy nie był

Oczekiwania wymagały kalibracji i źródła mówią o tym wprost. Chris Monroe, profesor University of Maryland i współzałożyciel startupu IonQ zajmującego się obliczeniami kwantowymi, nazwał eksperyment supremacji "kamieniem milowym akademickim". "Potem wciąż trzeba wymyślić, jak uczynić go bardziej skalowalnym i programowalnym" - powiedział MIT Technology Review.

Martinis zgodził się, że wiele pozostaje do zrobienia, ale przekonywał, że eksperyment może stać się punktem odniesienia dla każdego, kto twierdzi, że ma działający komputer kwantowy. Powiedział też, że cel pomógł menedżerom Google i współzałożycielowi Sergeyowi Brinowi zrozumieć, że technologia staje się realna. "Wszyscy to rozumieją i są tym bardzo podekscytowani" - mówił. "Staramy się zdobyć wsparcie w Google i ten eksperyment bardzo dobrze posłużył temu, żeby inni inżynierowie zaczęli z nami rozmawiać."

Harmonogram się przesunął. Ogłoszenie supremacji kwantowej przez Google przyszło we wrześniu 2019 roku, nie w 2017. Fortune podało, że firma twierdziła, iż jej procesor Sycamore o 53 kubitach próbkował losowo wygenerowany obwód w około 200 sekund, podczas gdy najnowocześniejszy superkomputer potrzebowałby około 10 000 lat na równoważne zadanie. Badacze oszacowali, że ten sam eksperyment na serwerze Google Cloud zająłby 50 000 000 000 000 godzin, a na procesorze kwantowym 30 sekund. Fortune zdobyło kopię pracy, którą opublikowano na NASA.gov i usunięto, a Financial Times pierwszy podał tę informację. Rzecznik Google odmówił potwierdzenia autentyczności pracy, a źródło w Google zasugerowało, że NASA opublikowała ją za wcześnie, przed recenzją.

IBM zakwestionował tę narrację. Dario Gil, szef IBM Research, powiedział Fortune, że eksperyment był wysoce szczególnym "eksperymentem laboratoryjnym" bez "praktycznych zastosowań". "Komputery kwantowe nigdy nie będą 'panować' nad klasycznymi, będą raczej działać razem z nimi, bo każde z nich ma swoje unikalne mocne strony" - powiedział. Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał tę aktualizację "znaczącym kamieniem milowym" i powiedział, że komercyjnie opłacalny komputer kwantowy wymagałby znacznie więcej postępu w badaniach i rozwoju. "Choć rozwój jest wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii" - powiedział.

IBM już wcześniej zaczął przekonywać do innej miary. Na marcowym spotkaniu American Physical Society w 2019 roku, podało ZDNET, IBM przedstawił swoją najwyższą dotychczas wartość Quantum Volume. Quantum Volume to metryka wydajności łącząca liczbę kubitów, łączność i czas koherencji z błędami bramek i pomiarów, przesłuchami między urządzeniami i efektywnością kompilatora. IBM podał, że jego Q System One z procesorem o 20 kubitach osiągnął Quantum Volume 16, dwa razy więcej niż ówczesny IBM Q na poziomie 8, i miał jedne z najniższych wskaźników błędów, jakie IBM zmierzył. Firma twierdziła, że Quantum Volume będzie musiał podwajać się co roku, żeby w ciągu najbliższej dekady osiągnąć Quantum Advantage, czyli punkt, w którym zastosowania kwantowe dają znaczące przewagi nad klasycznymi komputerami. IBM podwajał moc swoich komputerów kwantowych co roku od 2017 roku.

Wszystko to dzieje się w dziedzinie, która według źródeł jest daleka od ukończenia. Na Q2B teoretyk fizyki z Caltech John Preskill opisał obecny okres jako erę NISQ, czyli Noisy, Intermediate-Scale quantum computers. Preskill powiedział, że postęp w stronę komputera kwantowego odpornego na błędy musi być kontynuowany. Gizmodo zauważyło, że firmy nie będą mogły korzystać z obliczeń kwantowych przez całkiem długi czas, może dekady.

Badacze Google byli bardziej optymistyczni w swojej pracy z 2019 roku. "Przyspieszenie kwantowe jest osiągalne w realnym systemie i nie wykluczają go żadne ukryte prawa fizyki" - napisali, według Fortune. Przewidywali, że moc obliczeń kwantowych będzie rosła w tempie podwójnie wykładniczym, szybciej niż tempo wykładnicze, które definiowało prawo Moore'a. Dodali też zastrzeżenie, które się nie zestarzało: "Dzieli nas tylko jeden kreatywny algorytm od wartościowych zastosowań w najbliższej perspektywie."