Google, IBM i kamień milowy w komputerach kwantowych, który ciągle się przesuwa

Słowo „kamień milowy” zrobiło w komputerach kwantowych dużo roboty. Twierdzenie Google o supremacji kwantowej jest najgłośniejsze. Ukazało się w październikowym numerze Nature z 2019 roku, wydanym na 150-lecie pisma. Nie jest to jedyne takie twierdzenie i nie kończy sporu.

Samo twierdzenie jest wąskie i konkretne. We wpisie na własnym blogu Google podaje, że maszyna Sycamore wykonała testowe obliczenie w 200 sekund. Najlepsze znane algorytmy na najpotężniejszych superkomputerach potrzebowałyby tysięcy lat, żeby je powtórzyć. Fortune opisało artykuł 20 września 2019 roku, a badacze doprecyzowali szczegóły. Procesor potrzebował około 200 sekund, żeby milion razy spróbkować jedno wystąpienie obwodu kwantowego. Najnowocześniejszy superkomputer potrzebowałby na równoważne zadanie około 10 000 lat. Ten sam artykuł szacował, że uruchomienie eksperymentu na serwerze Google Cloud zajęłoby 50 000 000 000 000 godzin.

Fortune zdobyło kopię artykułu po tym, jak na krótko pojawił się na NASA.gov i został usunięty. Jako pierwszy podał tę wiadomość Financial Times. Rzecznik Google odmówił potwierdzenia autentyczności tekstu. Osoba z Google zasugerowała, że NASA opublikowała go wcześniej, przed recenzją naukową. Ten proces mógł potrwać tygodnie albo miesiące.

Dwa lata twierdzeń, jedno sporne słowo

IBM był pierwszy z liczbą, choć nie z tym samym słowem. 10 listopada 2017 roku Associated Press podała, że naukowcy IBM zbudowali i zmierzyli prototyp procesora o 50 kubitach. Dario Gil kierował działem badań nad komputerami kwantowymi i sztuczną inteligencją w IBM. Powiedział, że to pierwszy raz, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali. Seth Lloyd jest profesorem inżynierii mechanicznej na MIT i nie brał udziału w pracach. Stwierdził, że IBM prawdopodobnie ma jeszcze usterki do usunięcia. Ogłoszenie nazwał oznaką istotnego postępu.

Google dochodziło do tej skali przez mniejsze układy. W kwietniu 2017 roku MIT Technology Review podało, że John Martinis kieruje grupą badawczą Google nad komputerami kwantowymi. Dał sobie czas do końca tego roku, żeby osiągnąć supremację kwantową. Zespół miał dziewięciokubitowy układ ustawiony w linii. Jego najnowszy chip miał sześć kubitów w konfiguracji dwa na trzy. Martinis mówił, że do eksperymentu potrzebuje siatki 49 kubitów. Projekty układów o 30 do 50 kubitach były już w toku.

W grudniu 2017 roku Martinis mówił na konferencji w NASA Ames, że liczba kubitów to zły nagłówek. „Komunikaty prasowe zawsze mówią o wyścigu kosmicznym w liczbie kubitów” powiedział, według Gizmodo. „Chodzi o ilość, ale też o jakość kubitów”. Google produkowało wtedy swój układ o 49 albo 50 kubitach. Testy miały się zacząć w ciągu dwóch tygodni.

Ostateczna maszyna to 53-kubitowy procesor o nazwie Sycamore. Zmniejszono go z projektu o 72 kubitach o nazwie Bristlecone. Wpis Google na blogu przedstawiał wynik jako moment „hello world”, na który dziedzina czekała. Firma przyznała też, że minie wiele lat, zanim ktokolwiek wdroży szerszy zestaw rzeczywistych zastosowań.

Czego ten kamień milowy nie mierzy

Dario Gil z IBM powiedział Fortune, że eksperyment był wysoce szczególnym przypadkiem laboratoryjnym, bez praktycznych zastosowań. Odradzał używanie supremacji kwantowej jako miary postępu. „Eksperyment i termin »supremacja« zostaną źle zrozumiane przez niemal wszystkich” powiedział. „Komputery kwantowe nigdy nie będą »supremacyjne« nad klasycznymi, będą raczej z nimi współpracować, bo każde mają swoje mocne strony”.

Jim Clarke jest dyrektorem ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs. Nazwał tę nowinę znaczącym punktem na drodze. Powiedział, że komercyjnie opłacalny komputer kwantowy wymaga najpierw wielu postępów w badaniach i rozwoju. „Choć rozwój wciąż jest na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii” stwierdził.

Ta ostrożność ma historię. Chris Monroe jest profesorem University of Maryland i współzałożycielem start-upu IonQ. W 2017 roku powiedział MIT Technology Review, że supremacja będzie „kamieniem milowym akademickim”. „Potem i tak trzeba wymyślić, jak zrobić to bardziej skalowalnym i programowalnym” mówił.

Prace IBM nad własną miarą wskazują w tę samą stronę. Na marcowym spotkaniu American Physical Society w 2019 roku IBM przedstawił Quantum Volume równe 16 dla swojego 20-kubitowego Q System One. To dwa razy więcej niż Quantum Volume równe 8 dla ówczesnego systemu IBM Q. Quantum Volume uwzględnia liczbę kubitów, łączność i czas koherencji. Obejmuje też błędy bramek i pomiarów, przesłuchy między urządzeniami i wydajność kompilatora oprogramowania obwodów. IBM podał, że Quantum Volume musi się podwajać co roku, żeby w ciągu najbliższej dekady osiągnąć Quantum Advantage. To moment, w którym zastosowania kwantowe dają istotną przewagę nad komputerami klasycznymi. IBM podwajał moc swoich komputerów kwantowych co roku od 2017 roku.

Wniosek z samego artykułu Google jest ambitniejszy niż eksperyment. Badacze przewidzieli, że moc obliczeń kwantowych będzie rosła w tempie podwójnie wykładniczym. To tempo przewyższyłoby wzrost wykładniczy, który określał prawo Moore'a. Napisali też: „Dzieli nas tylko jeden kreatywny algorytm od wartościowych zastosowań w najbliższej przyszłości”.

Ta część wciąż nie została sprawdzona. Bieg w 200 sekund jest punktem danych. Porównanie z 10 000 lat jest punktem danych. Żadne z nich nie mówi firmie, co ma robić w poniedziałek.