Procesor kwantowy IBM bije szacunki superkomputera. Rywale stawiają na splątanie i bezpieczeństwo postkwantowe

29 września ScienceAlert podał, 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 ukazał się w preprintcie na arXiv. Pochodzi z komercyjnie dostępnego nadprzewodzącego układu o 120 kubitach, osiągalnego przez chmurę IBM, a nie z maszyny zbudowanej na potrzeby jednego laboratorium. Twierdzenie ma wagę, 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 głośno było o 53-kubitowym procesorze Sycamore firmy Google. Wykonał on eksperyment RCS, którego klasyczne maszyny nie mogły realnie powtórzyć. Potem badacze klasyczni znaleźli skróty, a zespoły kwantowe poszły dalej. Ta wymiana ciosów od lat wyznacza rytm dziedziny. Każda demonstracja ściągała klasyczną replikę, a każda replika wymuszała trudniejszy test kwantowy.

Co właściwie pokazuje wynik z 29 września

Według ScienceAlert zespołem kierował Tigran Sedrakyan, fizyk teoretyk materii skondensowanej z BlueQubit. Zespół wybrał 61 z 120 kubitów Nighthawka r2. Badacze uruchamiali losowe obwody o rosnącej złożoności, do 40 cykli. Znaleźli to, co raport nazywa strefą Goldilocks, przy 36 cyklach, z udziałem 918 bramek dwukubitowych. Przy tym ustawieniu procesor wytworzył milion próbek w 19 sekund. Wykorzystał standardowy przepływ chmurowy platformy, bez specjalnej kalibracji.

Autorzy pracy dobierają słowa ostrożnie. „Według naszej wiedzy to pierwsza demonstracja przewagi kwantowej dla zwykłego losowego próbkowania obwodów na komercyjnie i szeroko dostępnym procesorze kwantowym, który większość niewykwalifikowanych użytkowników może łatwo powtórzyć” – piszą. Ostatni człon zdania ma realne znaczenie. Wcześniejsze demonstracje często opierały się na dostrojonym sprzęcie. Ta użyła interfejsu, który widzi każdy klient chmury.

„To pierwsza demonstracja przewagi kwantowej dla zwykłego losowego próbkowania obwodów na komercyjnie i szeroko 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. Zespół oszacował więc koszt klasyczny odtworzenia próbek metodą kontrakcji sieci tensorowych. Z obliczeń wyszło około 1,2 x 10^27 operacji. Przy ostrożnym szacunku wydajności podtrzymywanej Frontiera daje to mniej więcej 110 lat. ScienceAlert zwraca uwagę na dwa zastrzeżenia. Te 110 lat nie jest fundamentalnym limitem sprzętu klasycznego. To szacunek związany z jedną metodą odtworzenia eksperymentu. A badacze klasyczni mają na koncie długą serię znajdowania skrótów algorytmicznych. Autorzy preprintu wprost dopuszczają taką możliwość. Ich twierdzenie dotyczy tego, co pokazano 29 września, a nie trwałej bariery.

Pomiar splątania i gra w długiej perspektywie

Ten sam tydzień przyniósł drugi wynik. Mniej efektowny, ale chyba bardziej ustrojowy. ScienceDaily poinformował 29 września, że badacze z Uniwersytetu w Kioto i Uniwersytetu w Hiroszimie opracowali metodę rozpoznawania stanów W. Pokazali ją też w eksperymencie. Stany W to forma wielofotonowego splątania, która przez ponad dwie dekady opierała się wydajnemu pomiarowi jednorazowemu.

Problemem jest ilość danych. Standardowa tomografia kwantowa odtwarza stan z wielu pomiarów. Ilość potrzebnych danych rośnie wykładniczo z liczbą fotonów. Pomiar splątany potrafi rozpoznać stan za jednym razem. 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. Dzięki niej badacze zbudowali fotoniczny obwód kwantowy wykonujący kwantową transformatę Fouriera. Potem przetestowali go z trzema fotonami.

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

Zespoły bezpieczeństwa już szykują się na zagrożenie kwantowe

Jeśli wyniki sprzętowe pokazują postęp, strona bezpieczeństwa pokazuje pośpiech. Cloudflare opublikował 29 września wpis. Opisał w nim prace z IETF nad mechanizmem ochrony przed degradacją dla IPsec, obecnie w wersji beta we wszystkich produktach IPsec firmy. Problem polega na tym, że atakujący w sieci może usunąć uwierzytelnianie postkwantowe z uzgadniania połączenia. To zmusza końcówki do powrotu do kryptografii klasycznej, którą przyszły komputer kwantowy mógłby złamać. Cloudflare twierdzi, że odkrył na nowo wadę konstrukcyjną IPsec. Wada 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. Nie jest to więc robota typu „zbieraj teraz, odszyfruj później”. Cloudflare podaje, że nie wie jeszcze, czy i kiedy atak będzie wykonalny. Twierdzi jednak, że spadające szacunki zasobów potrzebnych do ataków kwantowych na kryptografię klucza publicznego skłoniły firmę do przesunięcia terminu przejścia na 2029 rok.

Łagodzenie wymaga, by obie strony obsługiwały rozszerzenie. Cloudflare włączył je w wersji beta dla Cloudflare WAN i Magic Transit. Klienci mogą poprosić swoich opiekunów o flagę ipsec_downgrade_protection. Firma mówi, że liczy na to, iż szerszy ekosystem IPsec pójdzie tym śladem.

Moc obliczeniowa przenosi się poza planetę, a energią jest wąskim gardłem

Dwa inne wydarzenia z minionego tygodnia wskazują w różnych kierunkach. 29 września China-in-Space podał, że STAR.VISION Aerospace pokazała 25 września na Global Digital Trade Expo swoją konstelację Space.IDC Computing Constellation. Firma planuje około 1 080 statków kosmicznych do 2035 roku, podzielonych na mniej więcej 720 jednostek wnioskowania i 360 jednostek ogólnych obliczeń. Powołała się na umowy kredytowe o wartości 10 mld juanów (1,49 mld dolarów według kursu z 28 września) z Industrial and Commercial Bank of China i Agricultural Bank of China. Co najmniej 1 mld juanów jest dostępne na pierwszy etap. Orbity, łącza między satelitami, rozmiary radiatorów i masa nie zostały ujawnione, a wnioski regulacyjne jeszcze nie zostały złożone.

Tego samego dnia Efficient Computer ogłosiła rundę Series B o wartości 97 mln dolarów, prowadzoną przez TQ Ventures. Łącznie firma zebrała 173 mln dolarów przy wycenie 650 mln dolarów. W firmowym wpisie na blogu prezes Brandon Lucia przekonywał, że akceleratory AI o stałej funkcji to zły interes. Stwierdził, że nieprzyspieszona część obciążenia wyznacza sufit wydajności systemu, powołując się na prawo Amdahla. Efficient twierdzi, że jej układ Electron E1 ma 10 do 100 razy lepszą efektywność energetyczną niż tradycyjne architektury CPU. Firma mówi, że układ wchodzi do sprzedaży masowej.

Wzięte razem, doniesienia tygodnia nie opisują jednego przełomu. Opisują dziedzinę, która pracuje naraz na kilku frontach. Zespoły dowodzą przewagi na dostępnym sprzęcie i uczą się wydajnie mierzyć stany splątane. Utwardzają internet przeciw zagrożeniu, które jeszcze nie nadeszło. I spierają się o to, skąd wziąć energię dla tego wszystkiego. Nagłówek daje wynik 19 sekund, ale to szacunek dotyczący klasycznej maszyny, której nikt naprawdę nie poprosił, żeby spróbowała.