Google, IBM i kamień milowy w informatyce kwantowej, który wciąż się przesuwa

Słowo "kamień milowy" wykonało w informatyce kwantowej mnóstwo pracy. Najgłośniej zabrzmiało w październiku 2019 roku, gdy Google ogłosił supremację kwantową na łamach numeru Nature na 150-lecie pisma. Nie było to jednak ani jedyne takie ogłoszenie, ani takie, które kończy spór.

Sama teza jest wąska i konkretna. Jak podaje wpis Google na blogu, maszyna Sycamore wykonała obliczenie testowe w 200 sekund, a najlepsze znane algorytmy na najpotężniejszych superkomputerach potrzebowałyby na to tysięcy lat. W pracy, o której Fortune doniósł 20 września 2019 roku, badacze doprecyzowali: procesor potrzebował około 200 sekund, żeby milion razy próbkować jeden przypadek obwodu kwantowego, a nowoczesny superkomputer potrzebowałby około 10 000 lat na równoważne zadanie. Ta sama praca szacowała, że uruchomienie eksperymentu na serwerze Google Cloud zajęłoby 50 000 000 000 000 godzin.

Fortune zdobył kopię pracy po tym, jak na krótko pojawiła się na NASA.gov i została zdjęta. Financial Times pierwszy podał tę informację. Rzecznik Google odmówił potwierdzenia autentyczności pracy. Źródło w Google sugerowało, że NASA opublikowała ją za wcześnie, przed recenzją, która może zająć tygodnie albo miesiące.

Dwa lata ogłoszeń, jedno sporne słowo

IBM dotarł tam pierwszy z liczbą, choć nie z tym samym słowem. 10 listopada 2017 roku Associated Press poinformowało, że naukowcy IBM zbudowali i zmierzyli prototyp procesora o 50 kubitach. Dario Gil, który kierował działem badań nad informatyką kwantową i sztuczną inteligencją w IBM, powiedział, że to pierwszy raz, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali. Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej z MIT, niezwiązany z pracą, powiedział, że IBM prawdopodobnie ma jeszcze usterki do usunięcia, ale nazwał ogłoszenie oznaką istotnego postępu.

Sama droga Google do tej skali wiodła przez mniejsze układy. W kwietniu 2017 roku MIT Technology Review podał, że John Martinis, który kieruje grupą badawczą Google nad informatyką kwantową, dał sobie czas do końca tego roku na osiągnięcie supremacji kwantowej. Zespół miał dziewięciokubitowy układ ustawiony w linii, a jego najnowszy układ miał sześć kubitów w konfiguracji dwa na trzy. Martinis mówił, że do eksperymentu potrzebuje siatki 49 kubitów. Projekty na 30 do 50 kubitów 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 kwantowym w liczbie kubitów" powiedział, według Gizmodo. "Chodzi o ilość, ale też o jakość kubitów." Google produkował wtedy swoje urządzenie o 49 albo 50 kubitach, a testy miały zacząć się w ciągu dwóch tygodni.

Finalna maszyna to 53-kubitowy procesor o nazwie Sycamore, pomniejszony z projektu na 72 kubity o nazwie Bristlecone. Wpis Google na blogu przedstawiał wynik jako moment "hello world", na który czekała dziedzina, przyznając jednocześnie, że minie wiele lat, zanim da się wdrożyć szerszy zestaw zastosowań w realnym świecie.

Czego kamień milowy nie mierzy

Dario Gil z IBM powiedział Fortune, że eksperyment był wysoce szczególnym przypadkiem laboratoryjnym, bez praktycznych zastosowań, i 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 pracować wespół z nimi, bo każde mają swoje unikalne mocne strony."

Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał tę aktualizację znaczącym punktem na drodze i powiedział, że komercyjnie opłacalny komputer kwantowy wymagałby najpierw wielu postępów w badaniach i rozwoju. "Choć prace są wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii" powiedział.

Ta ostrożność ma historię. Chris Monroe, profesor University of Maryland i współzałożyciel start-upu IonQ, powiedział MIT Technology Review w 2017 roku, że supremacja będzie "kamieniem milowym akademickim". "Potem i tak trzeba wymyślić, jak uczynić to bardziej skalowalnym i programowalnym" powiedział.

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

Własny wniosek pracy Google jest ambitniejszy niż eksperyment. Badacze przewidywali, że moc obliczeń kwantowych będzie rosła w tempie podwójnie wykładniczym, wyprzedzając tempo wykładnicze, które określało prawo Moore'a. Napisali też: "Dzieli nas tylko jeden twórczy algorytm od wartościowych zastosowań w najbliższej perspektywie."

To właśnie ta część wciąż nie została sprawdzona. Bieg w 200 sekund to punkt danych. Porównanie z 10 000 lat to punkt danych. Żadne z nich nie mówi firmie, co ma robić w poniedziałek.