Google ogłasza supremację kwantową, a za nim rusza wyścig o kolejne progi

Praca naukowa pojawiła się na NASA.gov w tym tygodniu, a potem zniknęła. Fortune napisał o tym 20 września 2019 roku i zdobył kopię dokumentu. Jako pierwszy informację podał Financial Times. Rzecznik Google nie potwierdził autentyczności pracy ani jej wyników, a NASA nie odpowiedziała od razu na prośbę o komentarz.

Osoba z Google znająca sytuację powiedziała, że NASA opublikowała pracę przez pomyłkę i przed terminem, zanim zespół zdążył poddać swoje twierdzenia recenzji naukowej. Taka recenzja może zająć od kilku tygodni do kilku miesięcy. Liczba, na której opiera się cała historia, 200 sekund przeciwko 10 000 lat, trafiła więc do obiegu bez tej recenzji. Tak wygląda każdy kamień milowy w informatyce kwantowej: pomiar, porównanie z maszyną klasyczną i spór o to, co to porównanie właściwie znaczy.

Praca z 2019 roku opisywała eksperyment, w którym losowo generowane liczby były próbkowane w specjalnym scenariuszu z udziałem zjawisk kwantowych. Badacze twierdzili, że ich komputer kwantowy wygrał ze zwykłymi komputerami w tym zadaniu, polegającym na obliczeniu wyniku działania określonych wyspecjalizowanych układów.

Maszyna Google, nazwana Sycamore, miała 53 kubity, czyli miarę potencjalnej mocy urządzenia. Zespół zmniejszył projekt z 72-kubitowego układu Bristlecone, który powstał wcześniej. Badacze szacowali, że ten sam eksperyment na serwerze Google Cloud zająłby 50 000 000 000 000 godzin, czyli zbyt długo, żeby był wykonalny. Na procesorze kwantowym, jak podali, zajął tylko 30 sekund.

Dwa lata wcześniej cel był na poziomie 49 kubitów

Ambicja nie była nowa. W kwietniu 2017 roku MIT Technology Review napisał, że John Martinis, który kierował grupą badawczą Google ds. kwantów, dał sobie zaledwie kilka miesięcy na osiągnięcie progu w historii informatyki: urządzenia, które wykona konkretne obliczenie poza zasięgiem każdego konwencjonalnego komputera. Dowodem miał być wyścig między chipem Google a jednym z największych superkomputerów świata.

Wtedy licząca około 25 osób grupa Google miała nowy chip z sześcioma kubitami ułożonymi w konfiguracji dwa na trzy. Martinis mówił, że ten układ pokazuje, iż technologia firmy nadal działa, gdy kubity leżą obok siebie, tak jak będzie w większych urządzeniach. Był to też test metody produkcji, w której kubity i konwencjonalne okablowanie sterujące powstają na osobnych chipach, a potem są łączone metodą bump bonding. Podejście miało wyeliminować dodatkowe linie sterujące, które mogą zakłócać pracę kubitów. Google opublikował wyniki dziewięciokubitowego chipa ułożonego w linii, ale Martinis twierdził, że do eksperymentu nad supremacją potrzebuje siatki 49 kubitów. Projekty urządzeń z 30 do 50 kubitów były już w toku.

„Ten proces działa” powiedział Martinis do MIT Technology Review. „Teraz jesteśmy gotowi, żeby ruszyć do przodu.”

Nie wszyscy traktowali ten cel jak metę. Chris Monroe, profesor University of Maryland i współzałożyciel startupu IonQ, nazwał go „kamieniem milowym akademickim” i dodał: „Potem nadal trzeba wymyślić, jak zrobić to bardziej skalowalnym i programowalnym.” Martinis zgodził się, że wiele zostało do zrobienia, ale przekonywał, że eksperyment może stać się punktem odniesienia dla każdego, kto twierdzi, że ma działający komputer kwantowy. Mówił też, że cel pomógł menedżerom Google i współzałożycielowi Sergeyowi Brinowi zobaczyć, że technologia staje się realna.

Kontra IBM-u i inna miara

IBM miał własne ogłoszenie. 10 listopada 2017 roku Associated Press poinformowała, że naukowcy IBM zbudowali i zmierzyli prototyp procesora z 50 kubitami. Dario Gil, który kierował działem badań IBM nad komputerami kwantowymi i sztuczną inteligencją, powiedział, że to pierwszy raz, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali. Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej na MIT, niezwiązany z badaniami, mówił, że IBM prawdopodobnie ma jeszcze usterki do usunięcia, ale ogłoszenie jest oznaką istotnego postępu.

W marcu 2019 roku IBM zaczął przekonywać, że liczba kubitów nie powinna być główną miarą. Na marcowym spotkaniu American Physical Society firma przedstawiła Quantum Volume na poziomie 16 dla swojego Q System One, który ma procesor 20-kubitowy, dwa razy więcej niż Quantum Volume 8 dla istniejącego systemu IBM Q. Quantum Volume wyznaczają liczba kubitów, łączność i czas koherencji, a także błędy bramek i pomiarów, przesłuchy między urządzeniami oraz efektywność kompilatora oprogramowania układów. IBM twierdził, że Quantum Volume będzie musiał podwajać się co roku, żeby w ciągu najbliższej dekady osiągnąć Quantum Advantage, czyli punkt, w którym zastosowania kwantowe dają istotną przewagę nad komputerami klasycznymi.

Gil sprzeciwiał się samemu określeniu „supremacja” bez ogródek. „Eksperyment i termin supremacja zostaną źle zrozumiane przez niemal wszystkich” powiedział Fortune, opisując pracę jako wysoce szczególny eksperyment laboratoryjny bez „żadnych praktycznych zastosowań”. Dodał: „Komputery kwantowe nigdy nie będą panować suprema” nad klasycznymi, będą raczej pracować z nimi w zgodzie, bo każde z nich ma swoje mocne strony.”

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

Badacze Google patrzyli na najbliższą przyszłość z większą nadzieją. „W wyniku tych prac informatyka kwantowa przechodzi od tematu badawczego do technologii, która otwiera nowe możliwości obliczeniowe” napisali w pracy, dodając: „Dzieli nas tylko jeden twórczy algorytm od wartościowych zastosowań w najbliższej przyszłości.”