Nighthawk r2 od IBM ogłasza przewagę kwantową w 19 sekund

ScienceAlert poinformował 29 września, że praca stawia 120-kubitowy nadprzewodzący układ na komercyjnie dostępnej platformie chmurowej i mierzy, jak szybko potrafi wyprzedzić klasyczny sprzęt w zadaniu zwanym próbkowaniem losowych obwodów.

Twierdzenie jest istotne, bo nie towarzyszą mu zwykłe zastrzeżenia o niestandardowej kalibracji czy uprzywilejowanym dostępie. Zespół pod kierunkiem Tigrana Sedrakyana, fizyka teoretyka materii skondensowanej z BlueQubit, wybrał 61 z kubitów Nighthawka r2 i uruchamiał losowe obwody o rosnącej złożoności, do 40 cykli, korzystając ze standardowego trybu pracy platformy w chmurze. Nikt nie dostrajał układu. Optymalny punkt wypadł przy 36 cyklach i 918 bramkach dwukubitowych. W tym ustawieniu procesor wytworzył milion próbek w 19 sekund. Autorzy piszą, że według ich wiedzy to pierwszy pokaz przewagi kwantowej przy zwykłym próbkowaniu losowych obwodów na komercyjnym i powszechnie dostępnym procesorze kwantowym, który niespecjalista może łatwo powtórzyć.

Dlaczego 110 lat to szacunek, a nie wyrok

Nikt nie uruchomił tego samego zadania na superkomputerze. To nie tak działa. Zadanie ma być praktycznie niewykonalne dla klasycznego sprzętu, a najszybsze maszyny na świecie są zajęte po brzegi, więc badacze posłużyli się kontrakcją sieci tensorowych. Ta metoda szacuje koszt obliczeniowy symulacji obwodu kwantowego.

Według tych obliczeń odtworzenie miliona próbek wymagałoby około 1,2 x 10^27 operacji. Frontier, pierwszy superkomputer eksaskalowy i najszybszy do 2024 roku, osiąga szczytowo ponad kwintylion operacji na sekundę. Przy ostrożnym oszacowaniu jego trwałej wydajności badacze przeliczyli to na około 110 lat.

"Według naszej wiedzy" - piszą badacze w pracy pod kierunkiem Tigrana Sedrakyana z BlueQubit - "to pierwszy pokaz przewagi kwantowej przy zwykłym próbkowaniu losowych obwodów na komercyjnym i powszechnie dostępnym procesorze kwantowym, który większość niespecjalistów może łatwo powtórzyć."

ScienceAlert ostrożnie obchodzi się z tą liczbą i czytelnicy też powinni. 110 lat to nie fundamentalny limit szybkości komputerów klasycznych. To szacunek związany z jednym sposobem odtworzenia eksperymentu. Badacze klasyczni mają na koncie skracanie takich szacunków, a wydajniejsze algorytmy mogłyby zmniejszyć potrzebną pracę. Sedrakyan i współautorzy dopuszczają taką możliwość w pracy. Ich twierdzenie jest węższe: to konkretne zadanie na tym konkretnym sprzęcie leży poza praktycznym zasięgiem klasycznej maszyny przy znanych technikach.

Dla porządku: sam wyścig nie jest nowy. Badacze z UC Berkeley przygotowali podstawy teoretyczne próbkowania losowych obwodów w 2018 roku. 53-kubitowy procesor Sycamore firmy Google ogłosił podobne twierdzenie w 2019 roku, a badacze klasyczni przez kolejne lata je podważali. Zmienił się nośnik: usługa komercyjna w chmurze, a nie aparatura zbudowana specjalnie na potrzeby laboratorium.

W tym samym tygodniu zamknięto 25-letnią lukę pomiarową

W dniu publikacji ScienceAlert uniwersytet w Kioto ogłosił osobny wynik, który nie ma nic wspólnego z rekordami szybkości, a wszystko z pomiarem. Według ScienceDaily z 29 września badacze z uniwersytetów w Kioto i Hiroszimie opracowali i pokazali eksperymentalnie splątany pomiar, który rozpoznaje stany W, czyli postać splątania wielu fotonów opierającą się takiemu podejściu od dziesięcioleci.

Pomiar splątany to jednorazowa alternatywa dla tomografii kwantowej, która odtwarza stan z wielu pomiarów, a jej zapotrzebowanie na dane rośnie wykładniczo z każdym dodanym fotonem. Dla stanu GHZ, innej znanej postaci splątania wielu fotonów, naukowcy już sobie z tym poradzili. Dla stanu W nie było porównywalnej metody, ani proponowanej, ani pokazanej.

"Ponad 25 lat po pierwszej propozycji pomiaru splątanego dla stanów GHZ uzyskaliśmy wreszcie pomiar splątany także dla stanu W, z prawdziwym pokazem eksperymentalnym dla 3-fotonowych stanów W" - mówi Shigeki Takeuchi, autor korespondencyjny pracy.

Zespół oparł swoje podejście na symetrii cyklicznego przesunięcia, właściwości matematycznej stanu W, i zaprojektował fotoniczny obwód kwantowy wykonujący kwantową transformatę Fouriera. Potem zbudował urządzenie z wysoce stabilnych optycznych obwodów kwantowych, które działało długo bez aktywnego sterowania, i przetestował je na trzech fotonach. Metoda może w zasadzie objąć stany W o dowolnej liczbie fotonów, choć pokaz dotyczył trzech.

Obie historie ciągną w różne strony. Jedna to liczba z nagłówka, którą sama technika jej uzyskania stawia pod czynnym sporem. Druga to cicha umiejętność, która ułatwia opisywanie przyszłych układów wielu fotonów. Obie pojawiły się w ciągu kilku godzin od siebie.

Co jeszcze ruszyło się 29 września

Ten sam dzień przyniósł dwie kolejne rzeczy warte odnotowania, każda wskazuje na inne wąskie gardło.

• Cloudflare podał, że pracował z IETF nad zabezpieczeniem przed atakami downgrade na IPsec i uruchomił wsparcie w wersji beta w Cloudflare WAN oraz Magic Transit. Firma napisała, że atak wymaga przeprowadzenia obliczeń kwantowych w czasie rzeczywistym podczas uzgadniania protokołu, że nie wie jeszcze, czy i kiedy będzie to wykonalne, i że przesunęła termin przejścia na kryptografię postkwantową na 2029 rok.
• Efficient Computer ogłosił rundę finansowania serii B o wartości 97 milionów dolarów pod przewodnictwem TQ Ventures, co daje łącznie 173 miliony dolarów przy wycenie 650 milionów dolarów. Prezes Brandon Lucia napisał, że technologia firmy daje 10-100x lepszą efektywność energetyczną niż tradycyjne architektury CPU, a Electron E1 wchodzi do masowej produkcji dla wbudowanych systemów fizycznej sztucznej inteligencji.

Energia i migracja kryptografii to te nieefektowne ograniczenia, które leżą pod każdym nagłówkiem o kwantach. Cloudflare zauważa w swoim wpisie, że szacunki zasobów potrzebnych do ataków kwantowych na kryptografię klucza publicznego mocno spadły, dlatego firma przesunęła swój termin do przodu, a nie do tyłu.

Jest też wątek podażowy. China-in-Space podał 29 września, że STAR.VISION Aerospace pokazał na Global Digital Trade Expo 25 września konstelację obliczeń kosmicznych, z planami około 1080 statków kosmicznych do 2035 roku i umowami kredytowymi o strategicznym znaczeniu na 10 miliardów juanów (1,49 miliarda dolarów według stanu na 28 września) z dwoma chińskimi bankami. Szczegółów orbit, łączy między satelitami i rozmiarów radiatorów nie podano.

Nic z tego nie rozstrzyga, czy 19 sekund IBM się obroni. Twierdzenie zostanie sprawdzone tak, jak sprawdzono twierdzenie Sycamore'a, przez ludzi, których praca polega na szukaniu skrótu. Praca jest na arXiv, a platforma w chmurze, więc przynajmniej spór o replikację może toczyć się publicznie.