Kamienie milowe Google i IBM w informatyce kwantowej, czyli długa droga do użytecznych maszyn

Za twierdzeniem Google stoi eksperyment na 53-kubitowym procesorze Sycamore. Pracę naukową firmy zdobyło Fortune, a później opublikowało ją Nature. Google podaje, że układ milion razy próbkował losowo wygenerowany obwód w ciągu około 200 sekund. Zdaniem firmy najnowocześniejszy superkomputer potrzebowałby na to jakieś 10 000 lat.

Właśnie ta różnica jest tu najważniejsza. Badacze Google napisali, że "przyspieszenie kwantowe jest osiągalne w rzeczywistym systemie i nie wyklucza go żadne ukryte prawo fizyki". Cytuje ich Fortune, które zdobyło pracę, zanim NASA na krótko ją opublikowała.

Ten wynik nie wziął się znikąd. W kwietniu 2017 roku MIT Technology Review informowało, że John Martinis, fizyk kierujący grupą kwantową Google, dał sobie czas do końca tego roku na osiągnięcie tego samego celu. Jego zespół miał wtedy sześciokubitowy układ, ułożony dwa na trzy. Testowano na nim metodę produkcji, w której kubity i ich okablowanie sterujące powstają na osobnych chipach, a potem są ze sobą łączone. Martinis mówił, że to podejście ma wyeliminować dodatkowe linie sterujące, które mogą zakłócać działanie kubitów. Zapowiadał też, że do eksperymentu z supremacją będzie potrzebował siatki 49 kubitów. Projekty układów o 30 do 50 kubitach były już w przygotowaniu.

IBM pierwszy dochodzi do 50 kubitów, a potem podważa samą miarę

Google nie był sam. Associated Press podała w listopadzie 2017 roku, że IBM zbudował i zmierzył prototyp procesora o 50 kubitach. Dario Gil, który kierował działem badań nad informatyką kwantową i sztuczną inteligencją w IBM, nazwał to pierwszym przypadkiem, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w takiej skali. Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej na MIT, niezwiązany z pracą, powiedział AP, że IBM ma prawdopodobnie jeszcze usterki do usunięcia, ale sama zapowiedź jest oznaką istotnego postępu.

W marcu 2019 roku IBM przykładał już inną miarkę. ZDNET informował, że Q System One, procesor o 20 kubitach, osiągnął objętość kwantową 16. To dwa razy więcej niż objętość kwantowa 8 zmierzona na wcześniejszym systemie IBM Q. Objętość kwantowa uwzględnia liczbę kubitów, łączność i czas koherencji, a także błędy bramek i pomiarów, przesłuchy między urządzeniami oraz wydajność kompilatora. IBM twierdził, że ta miara musiałaby się podwajać co roku, żeby w ciągu dekady osiągnąć przewagę kwantową. Firma podwajała moc swoich komputerów kwantowych corocznie od 2017 roku.

Gdy praca Google wypłynęła we wrześniu 2019 roku, Gil z IBM nie owijał w bawełnę. Powiedział Fortune, że eksperyment był wysoce szczególnym przypadkiem, "eksperymentem laboratoryjnym" bez "praktycznych zastosowań", i odradzał używanie supremacji kwantowej jako miary postępu. "Komputery kwantowe nigdy nie będą panować 'supreme' nad klasycznymi, będą raczej działać z nimi w porozumieniu, bo każde z nich ma swoje mocne strony" - stwierdził.

Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał dokonanie Google "znaczącym kamieniem milowym". Dodał, że komercyjnie opłacalny komputer kwantowy wymagałby jeszcze wielu postępów w badaniach i rozwoju. "Choć rozwój jest wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii" - powiedział.

Samo Google w swoim wpisie opublikowanym na blogu w październiku 2019 roku ostrożnie mówiło o ograniczeniach. Firma określiła wynik jako moment "hello world" i przyznała, że minie wiele lat, zanim da się wdrożyć szerszy zestaw rzeczywistych zastosowań. Całość przedstawiła jako 13-letni wysiłek. Zaczęło się w 2006 roku, gdy naukowiec Google Hartmut Neven zaczął badać informatykę kwantową pod kątem uczenia maszynowego. W 2014 roku dołączył Martinis z zespołem z University of California w Santa Barbara.

Przepaść między kamieniem milowym a produktem to nie techniczny szczegół. Procesory kwantowe musiałyby być znacznie większe niż 50 kubitów, żeby wykonywać użyteczną pracę, a korekcja błędów na dużą skalę wciąż nie została rozwiązana. Chris Monroe, profesor University of Maryland i współzałożyciel start-upu IonQ, powiedział MIT Technology Review w 2017 roku, że eksperyment z supremacją będzie "kamieniem milowym akademickim". Jego ocena tego, co dalej: "Potem wciąż trzeba wymyślić, jak zrobić to bardziej skalowalnym i programowalnym".