Sycamore Google z 53 kubitami i prototyp IBM z 50 kubitami: jak przebiegał wyścig o kamień milowy

Google nazwał to supremacją kwantową. IBM nazwał to eksperymentem laboratoryjnym bez praktycznych zastosowań. Obie firmy opisywały ten sam wynik z 2019 roku i obie pracowały nad nim przez poprzednie lata.

Według pracy, do której Fortune dotarł we wrześniu 2019 roku, procesor Sycamore firmy Google zawierał 53 kubity. Firma podała, że maszyna potrzebowała około 200 sekund na milionkrotne próbkowanie jednego wystąpienia obwodu kwantowego. Nowoczesny superkomputer potrzebowałby na równoważne zadanie około 10 000 lat. Badacze oszacowali, że to samo zadanie na serwerze Google Cloud zajęłoby 50 000 000 000 000 godzin. Na procesorze kwantowym, jak twierdzili, zajęło 30 sekund.

Praca pojawiła się na NASA.gov, zanim została usunięta. Fortune podał, że pierwszy napisał o sprawie Financial Times. Rzecznik Google odmówił potwierdzenia autentyczności pracy i jej wyników, a NASA nie odpowiedziała od razu na prośbę o komentarz. Osoba z Google znająca sytuację zasugerowała, że NASA przypadkowo opublikowała pracę za wcześnie, zanim twierdzenia zespołu mogły przejść recenzję naukową. Taka recenzja może zająć tygodnie lub miesiące.

Od sześciu kubitów do celu supremacji

Wynik nie wziął się znikąd. W kwietniu 2017 roku MIT Technology Review poinformował, że John Martinis, który kieruje grupą badawczą Google ds. kwantowych, dał sobie czas do końca tego roku na wykazanie supremacji kwantowej. Chodzi o obliczenie poza zasięgiem jakiegokolwiek konwencjonalnego komputera. Martinis mówił, że eksperyment postawi chip Google przeciwko jednemu z największych superkomputerów świata.

Wtedy najnowszy chip Google miał sześć kubitów, ułożonych dwa na trzy. Martinis twierdził, że układ pokazał, iż technologia wciąż działa, gdy kubity leżą obok siebie, tak jak w większych urządzeniach. Chip testował też metodę produkcji, w której kubity i ich konwencjonalne okablowanie sterujące powstają na osobnych chipach, a następnie są łączone przez lutowanie kulkowe. To miało usuwać dodatkowe linie sterujące, mogące zakłócać pracę kubitów.

„Ten proces w całości działa” - powiedział Martinis dla MIT Technology Review. „Teraz jesteśmy gotowi, żeby ruszyć szybko”. Mówił, że projekty urządzeń z 30 do 50 kubitów są już w toku, a do eksperymentu supremalnego będzie potrzebował siatki 49 kubitów. Google wcześniej opublikował wyniki chipa z dziewięcioma kubitami ułożonymi w linii.

Martinis przeszedł do Google pod koniec 2014 roku z University of California w Santa Barbara, gdzie pozostał profesorem. W momencie publikacji artykułu z 2017 roku jego grupa liczyła około 25 osób. Simon Gustavsson z MIT powiedział gazecie, że Google jest jednym z liderów w tej dziedzinie, a wyścig jest „dość porównywalny między Google i IBM”.

Chris Monroe, profesor University of Maryland i współzałożyciel startupu IonQ, był bardziej powściągliwy. „To będzie akademicki kamień milowy” - powiedział o celu supremalnym. „Potem wciąż trzeba wymyślić, jak uczynić to bardziej skalowalnym i programowalnym”. Martinis zgodził się, że wiele pozostaje do zrobienia, ale twierdził, że eksperyment może stać się punktem odniesienia dla każdego, kto twierdzi, że ma działający komputer kwantowy.

50 kubitów IBM i spór o słowo supremacja

IBM jako pierwszy ruszył z liczbą, którą Google obrał za cel. W listopadzie 2017 roku Associated Press poinformowała, że naukowcy IBM zbudowali i zmierzyli prototyp procesora z 50 kubitami. 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.

Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej MIT, niezwiązany z badaniami IBM, powiedział AP, że IBM prawdopodobnie wciąż musi usunąć usterki, ale ogłoszenie o 50 kubitach to znak znaczącego postępu.

Niespełna miesiąc później, na konferencji Q2B w NASA Ames, Martinis odrzucił liczenie kubitów jako tablicę wyników. „Komunikaty prasowe zawsze mówią o wyścigu kwantowym w liczbie kubitów” - powiedział, według Gizmodo. „To więcej niż ilość, to jakość kubitów”. Google, jak mówił, produkował w tym miesiącu swoje urządzenie supremalne z 49 albo 50 kubitami i w ciągu dwóch tygodni zacznie testy, pomijając opóźnienia związane z przerwą świąteczną.

Relacja Gizmodo opisywała problem, który Google zamierzał rozwiązać: splątać kubity, pozwolić układowi ewoluować, a potem zmierzyć. Stan końcowy przyjmuje różne wartości z różnymi prawdopodobieństwami, a ustalenie możliwych wyników jest tak złożone, że komputer klasyczny musi symulować maszynę kwantową. Może to zająć tygodnie na tym, co komputer kwantowy robi w kilka minut. Zadanie testuje nie tylko liczbę kubitów, ale i ich jakość, bo kubity nie mogą dawać błędnych wartości ani rozpadać się w zwykłe bity przez interakcję z otoczeniem.

Konferencja zgromadziła przedstawicieli firm motoryzacyjnych i lotniczych, banków, firm software’owych i wojska. Wśród obecnych były Volkswagen, Airbus, Citibank, Emerson i europejska firma informatyczna Atos, obok funduszy venture capital. John Preskill, fizyk teoretyczny z CalTech, powiedział publiczności, że dziedzina wchodzi w coś, co nazwał erą NISQ, czyli hałaśliwych komputerów kwantowych średniej skali, i że postęp w stronę maszyny odpornej na błędy musi trwać.

Quantum Volume i dziesięcioletnie oczekiwanie

Odpowiedź IBM na liczenie kubitów przyszła w marcu 2019 roku. Na marcowym spotkaniu American Physical Society firma przedstawiła swój najwyższy jak dotąd Quantum Volume. To metryka łącząca liczbę kubitów, łączność i czas koherencji, uwzględniająca błędy bramek i pomiarów, przesłuchy między urządzeniami oraz wydajność kompilatora.

IBM podał, że jego Q System One, zbudowany wokół procesora z 20 kubitami, osiągnął Quantum Volume 16, dwukrotnie więcej niż ówczesny wynik IBM Q równy 8. Firma podała też, że system ma jedne z najniższych zmierzonych przez nią wskaźników błędów.

ZDNet podał prognozę IBM, że Quantum Volume będzie musiał podwajać się co roku, aby w ciągu najbliższej dekady osiągnąć Quantum Advantage. To punkt, w którym zastosowania kwantowe dają znaczące przewagi nad komputerami klasycznymi. IBM podwajał moc swoich komputerów kwantowych co roku od 2017 roku, jak podała firma. Udostępnił swoją technologię kwantową przez usługę chmurową w 2016 roku i pracował z partnerami nad zastosowaniami biznesowymi i naukowymi.

To ujęcie przygotowało grunt pod spór, który nastąpił po pracy Google z września 2019 roku. Dario Gil, wtedy szef IBM Research, odradzał używanie supremacji kwantowej jako miary postępu. „Eksperyment i termin »supremacja« zostaną źle zrozumiane przez niemal wszystkich” - powiedział Fortune, opisując pracę jako wysoce specjalny eksperyment laboratoryjny bez praktycznych zastosowań. „Komputery kwantowe nigdy nie będą »panować« nad klasycznymi, będą raczej działać w porozumieniu z nimi, bo każde mają swoje unikalne mocne strony”.

Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał aktualizację Google „znaczącym kamieniem milowym” i powiedział, że komercyjnie opłacalny komputer kwantowy będzie wymagał znacznie więcej postępów w badaniach i rozwoju. „Choć rozwój jest wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii” - powiedział.

Co twierdziła praca, a czego nie

Badacze Google napisali, że przyspieszenie kwantowe jest osiągalne w rzeczywistym systemie i nie wyklucza go żadne ukryte prawo fizyki. Przewidywali, że moc obliczeń kwantowych będzie rosnąć w tempie podwójnie wykładniczym, szybciej niż tempo wykładnicze, które określa prawo Moore’a. Napisali też, że obliczenia kwantowe przechodzą od tematu badawczego do technologii, która odblokowuje nowe możliwości obliczeniowe, i że „dzieli nas tylko jeden twórczy algorytm od wartościowych zastosowań w najbliższym czasie”.

Sama maszyna miała mniej kubitów niż wcześniejszy projekt. Google zaprojektował wcześniej urządzenie z 72 kubitami o nazwie Bristlecone, ale na potrzeby eksperymentu zmniejszył je do 53-kubitowego Sycamore.

Wcześniejsze publiczne wypowiedzi firmy warto zestawić z twierdzeniem z 2019 roku. W 2017 roku Martinis mówił, że procesory kwantowe będą musiały być znacznie większe niż 50 kubitów, żeby wykonywać użyteczną pracę. Ocena Monroe’a, że supremacja będzie akademickim kamieniem milowym, a skalowalność i programowalność wciąż czekają na rozwiązanie, nie została zakwestionowana przez nic w pracy.

Rzecznik Google odmówił potwierdzenia autentyczności pracy, a NASA, która przez krótko ją hostowała, milczała. Recenzja naukowa, według źródła w firmie, może zająć tygodnie lub miesiące. Wynik, który dotarł do opinii publicznej, najpierw pojawił się przez przeciek, a nie w czasopiśmie.

Taki jest kształt wyścigu o kamienie milowe, jak pokazuje zapis: prototyp z 50 kubitami od IBM w listopadzie 2017 roku, twierdzenie o supremacji z 53 kubitami od Google we wrześniu 2019 roku i spór o metrykę pomiędzy nimi o to, czy liczy się liczba kubitów, czy ich jakość. Firmom, jak zauważyło Gizmodo z sali Q2B, mówiono, że praktyczne zastosowanie może być odległe o dziesięciolecia. Własna prognoza IBM umieszczała Quantum Advantage w ciągu dekady, jeśli Quantum Volume będzie podwajać się co roku.

Obie firmy budowały dalej. Spór o to, jak nazwać wynik, prawdopodobnie przetrwa sprzęt, który go wyprodukował.