Chip kwantowy IBM bije szacunki superkomputera, rywale stawiają na splątanie i bezpieczeństwo postkwantowe

29 września ScienceAlert poinformował, że kwantowy procesor Nighthawk r2 firmy IBM wygenerował milion próbek w 19 sekund. Autorzy pracy szacują, że klasyczny superkomputer potrzebowałby na to samo zadanie około 110 lat.

Wynik opisano w preprintcie na arXiv. Powstał na dostępnym komercyjnie 120-kubitowym chipie nadprzewodzącym, do którego dostęp daje chmura IBM, a nie na maszynie zbudowanej specjalnie do tego eksperymentu. Ta deklaracja ma znaczenie, bo to kolejna runda sporu, który trwa od 2018 roku. Wtedy badacze z UC Berkeley pierwszy raz przekonywali, że losowe próbkowanie obwodów (RCS) dobrze nadaje się do pokazania przewagi kwantowej. W 2019 roku 53-kubitowy procesor Sycamore firmy Google trafił na nagłówki gazet, wykonując eksperyment RCS, którego klasyczne maszyny nie mogły praktycznie powtórzyć. Potem klasyczni badacze znaleźli skróty, a zespoły kwantowe poszły dalej. Ta wymiana ciosów od lat określa kształt dziedziny: po każdym pokazie przychodzi klasyczna odpowiedź, a po niej trudniejszy test kwantowy.

Co właściwie pokazuje wynik z 29 września

Jak podaje ScienceAlert, zespół kierowany przez Tigrana Sedrakyana, fizyka teoretycznego materii skondensowanej z BlueQubit, wybrał 61 z 120 kubitów Nighthawka r2. Badacze uruchamiali losowe obwody o rosnącej złożoności, do 40 cykli. Przy 36 cyklach, z udziałem 918 bramek dwukubitowych, trafili na to, co reportaż nazywa strefą Goldilocks. Przy tym ustawieniu procesor wygenerował milion próbek w 19 sekund, korzystając ze standardowego trybu pracy w chmurze, bez specjalnej kalibracji.

Sami autorzy dobierają słowa ostrożnie. „Według naszej wiedzy to pierwszy pokaz przewagi kwantowej w zwykłym losowym próbkowaniu obwodów na komercyjnie i powszechnie dostępnym procesorze kwantowym, który większość niewtajemniczonych użytkowników może łatwo powtórzyć” – piszą. To ostatnie zdanie ma realną wagę. Wcześniejsze pokazy często opierały się na dostrojonym sprzęcie; ten wykorzystał ten sam interfejs, który widzi każdy klient chmury.

„To pierwszy pokaz przewagi kwantowej w zwykłym losowym próbkowaniu obwodów na komercyjnie i powszechnie dostępnym procesorze kwantowym”.

Liczba 110 lat to szacunek, nie pomiar. Nikt nie może realnie zarezerwować czasu na Frontierze, pierwszym na świecie superkomputerze eksaskalowym i najszybszym do 2024 roku, więc zespół użył kontrakcji sieci tensorowych, żeby oszacować klasyczny koszt odtworzenia próbek. Z obliczeń wyszło około 1,2 x 10^27 operacji, co przy ostrożnym szacunku wydajności Frontiery daje mniej więcej 110 lat. ScienceAlert zwraca uwagę na dwa zastrzeżenia. Te 110 lat to nie fundamentalna granica dla klasycznego sprzętu, tylko szacunek związany z jedną metodą odtworzenia eksperymentu. A badacze klasycznych obliczeń mają na koncie wiele znalezionych skrótów algorytmicznych. Autorzy preprintu wprost przyznają taką możliwość; ich twierdzenie dotyczy tego, co pokazano 29 września, a nie trwałej bariery.

Pomiar splątania i gra na długą metę

W tym samym tygodniu pojawił się drugi wynik, mniej efektowny, ale być może ważniejszy dla struktury dziedziny. 29 września ScienceDaily poinformował, że badacze z Uniwersytetu w Kioto i Uniwersytetu w Hiroszimie opracowali i doświadczalnie pokazali metodę rozpoznawania stanów W, czyli wielofotonowego splątania, którego nie udawało się zmierzyć efektywnie w jednym przebiegu przez ponad dwie dekady.

Problemem jest ilość danych. Standardowa tomografia kwantowa odtwarza stan z wielu pomiarów, a potrzebna ilość danych rośnie wykładniczo wraz z liczbą fotonów. Pomiar splątany potrafi rozpoznać stan w jednym przebiegu. Udało się to już dla stanu Greenbergera-Horne'a-Zeilingera, ale nie dla stanów W. Zespół z Kioto i Hiroszimy wykorzystał właściwość zwaną symetrią przesunięcia cyklicznego, żeby zbudować fotoniczny obwód kwantowy wykonujący kwantową transformatę Fouriera, a potem przetestował go na trzech fotonach.

„Ponad 25 lat po pierwszej propozycji pomiaru splątanego dla stanów GHZ udało się wreszcie uzyskać pomiar splątany także dla stanu W, z prawdziwą demonstracją doświadczalną dla 3-fotonowych stanów W” – powiedział Shigeki Takeuchi, autor korespondencyjny, w relacji ScienceDaily. Praca może przydać się w teleportacji kwantowej, protokołach komunikacyjnych i obliczeniach kwantowych opartych na pomiarach.

Zespoły bezpieczeństwa już szykują się na zagrożenie kwantowe

Jeśli wyniki sprzętowe pokazują postęp, to strona bezpieczeństwa pokazuje pośpiech. 29 września Cloudflare opublikował wpis o pracach z IETF nad mechanizmem ochrony przed degradacją w IPsec, obecnie w fazie beta we wszystkich swoich produktach IPsec. Problem polega na tym, że atakujący w sieci może usunąć uwierzytelnianie postkwantowe z uzgadniania połączenia i zmusić końcówki do powrotu do klasycznej kryptografii, którą przyszły komputer kwantowy mógłby złamać. Cloudflare twierdzi, że odkrył na nowo wadę konstrukcyjną IPsec, która pozwala na bardziej wyrafinowany atak niż standardowa degradacja, działający niezależnie od użytej metody uwierzytelniania. Atak wymaga obliczenia kwantowego wykonanego w czasie rzeczywistym podczas uzgadniania protokołu, więc nie chodzi o scenariusz „zbieraj teraz, odszyfruj później”. Cloudflare przyznaje, że nie wie jeszcze, czy i kiedy atak będzie wykonalny, ale spadające szacunki zasobów potrzebnych do kwantowych ataków na kryptografię klucza publicznego skłoniły firmę do przesunięcia terminu przejścia na 2029 rok.

Zabezpieczenie wymaga, żeby obie strony obsługiwały rozszerzenie. Cloudflare włączył je w wersji beta dla Cloudflare WAN i Magic Transit, a klienci mogą poprosić swoich opiekunów handlowych o flagę ipsec_downgrade_protection. Firma liczy, że szerszy ekosystem IPsec pójdzie tym śladem.

Obliczenia przenoszą się poza planetę, a wąskim gardłem jest energia

Dwa inne wydarzenia z minionego tygodnia wskazują w różnych kierunkach. 29 września China-in-Space poinformował, że STAR.VISION Aerospace pokazała na Global Digital Trade Expo 25 września konstelację obliczeniową Space.IDC, z planami około 1080 statków kosmicznych do 2035 roku, podzielonych na mniej więcej 720 jednostek wnioskowania i 360 jednostek obliczeń ogólnych. Firma wymieniła umowy kredytowe o wartości 10 000 000 000 juanów (1 490 000 000 dolarów według kursu z 28 września) z Industrial and Commercial Bank of China i Agricultural Bank of China, z co najmniej 1 000 000 000 juanów dostępnych na pierwszy etap. Orbity, łącza międzysatelitarne, rozmiary radiatorów i masa nie zostały ujawnione, a wnioski regulacyjne nie zostały jeszcze złożone.

Tego samego dnia Efficient Computer ogłosiła rundę Series B o wartości 97 000 000 dolarów, prowadzoną przez TQ Ventures, co podniosło łączne finansowanie do 173 000 000 dolarów przy wycenie 650 000 000 dolarów. W firmowym wpisie na blogu prezes Brandon Lucia przekonywał, że wyspecjalizowane akceleratory AI to zły interes, bo nieprzyspieszona część obciążenia wyznacza pułap wydajności całego systemu; powołał się przy tym na prawo Amdahla. Efficient twierdzi, że jej układ Electron E1 osiąga od 10 do 100 razy lepszą efektywność energetyczną niż tradycyjne architektury CPU i że właśnie wchodzi do sprzedaży masowej.

Wszystkie te wiadomości z jednego tygodnia nie składają się na jeden przełom. Pokazują dziedzinę, która pracuje na kilku frontach naraz: dowodzi przewagi na dostępnym sprzęcie, uczy się efektywnie mierzyć stany splątane, wzmacnia internet przeciw zagrożeniu, które jeszcze nie nadeszło, i spiera się o to, skąd wziąć prąd dla tego wszystkiego. Wynik 19 sekund jest nagłówkiem, ale to szacunek dotyczący klasycznej maszyny, której nikt nawet nie poprosił, żeby spróbowała.