Kwantowa supremacja po siedmiu latach: co faktycznie dostarczyły Google i IBM

Twierdzenie o kwantowej supremacji, opublikowane w Nature 23 października 2019 roku, zamknęło dwuletni wyścig, który rozpoczął się, gdy John Martinis obiecał osiągnięcie kamienia milowego do końca 2017 roku. Firma podaje, że jej procesor Sycamore z 53 kubitami wykonał zadanie próbkujące w 200 sekund, co zajęłoby najnowocześniejszemu superkomputerowi około 10 000 lat.

To jest główna liczba. Argumentacja pod nią jest węższa, a budujący konkurencyjne maszyny spędzili kolejne lata na wyjaśnianiu dlaczego. Poniższa część to rekonstrukcja sposobu, w jaki kamień milowy został ustalony, osiągnięty i zakwestionowany, oparta na relacjach z tamtego czasu.

Termin, który Martinis wyznaczył sobie

W kwietniu 2017 roku MIT Technology Review opisało Martinese, który dołączył do Google pod koniec 2014 roku z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara i kierował grupą około 25 badaczy. Powiedział czasopiśmie, że jego zespół zbuduje urządzenie osiągające kwantową supremację do końca tego roku, co oznaczało wykonanie obliczenia poza zasięgiem każdego konwencjonalnego komputera. Dowodem miał być wyścig między chipem Google a jednym z największych superkomputerów na świecie.

W tamtym czasie Google opublikowało wyniki z dziewięciokubitowego chipa ułożonego w linię. Najnowsze urządzenie miało tylko sześć kubitów, ale uszeregowanych w siatce 2x3, co Martinis stwierdził jako dowód, że technologia działała, gdy kubity były umieszczone obok siebie. Sześcokubitowy chip przetestował również metodę produkcyjną, w której kubity i ich okablowanie kontrolne są wytwarzane na osobnych chipach, a następnie łączone za pomocą bump bonding, proces, który Martinis nazwał działającym.

Stwierdził, że projekty urządzeń 30 do 50 kubitów były już w toku, a do eksperymentu supremacji potrzebował siatki 49 kubitów.

"Uważamy, że jesteśmy gotowi na ten eksperyment. To coś, co możemy zrobić teraz", powiedział Martinis w MIT Technology Review.

Nie wszyscy ramowali cel w ten sam sposób. Chris Monroe, profesor z Uniwersytetu Marylandzkiego i współzałożyciel startupu IonQ, nazwał to akademickim kamieniem milowym. "Potem wciąż trzeba wymyślić, jak zrobić to bardziej skalowalnym i programowalnym", powiedział. Simon Gustavsson, główny badacz w grupie obliczeń kwantowych w MIT, postawił Google i IBM na podobnym poziomie na tym etapie.

IBM odpowiada 50 kubitami

IBM ruszyło pierwsze w kwestii surowej liczy. 10 listopada 2017 roku Associated Press podało, że naukowcy IBM zbudowali i zmierzyli prototyp procesora z 50 kubitami. Dario Gil, który kierował działem badań nad obliczeniami kwantowymi i sztuczną inteligencją w IBM, powiedział, że był to pierwszy raz, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali.

Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej w MIT, nie zaangażowany w prace, powiedział, że IBM prawdopodobnie wciąż miał usterki do rozwiązania, ale nazwał ogłoszenie znakiem istotnego postępu. AP nie raportowało wyniku benchmarku powiązanego z prototypem 50-kubitowym. Skala i udowodniona wydajność zaczynały się już rozdzielać na dwie różne rozmowy.

Do grudnia 2017 roku Martinis czynił tę różnicę jawną na konferencji. Gizmodo raportował z wydarzenia Q2B w NASA Ames, że sprzeciwił się liczeniu kubitów jako tablicy wyników. "Komunikaty prasowe zawsze mówią o wyścigu kwantowym w liczbie kubitów", powiedział. "To nie tylko kwestia ilości, to kwestia jakości kubitów".

Na tej samej konferencji Martinis powiedział, że Google wytwarzało wtedy swoje urządzenie supremacji 49 lub 50 kubitów i zacznie testy w ciągu dwóch tygodni, nie licząc opóźnień świątecznych. Opisał eksperyment: spleć kubity, pozwól systemowi ewoluować, a następnie zmierz wyniki, których prawdopodobieństwa są tak złożone, że klasyczna maszyna musi symulować komputer kwantowy, by je sprawdzić, co może zająć tygodnie, podczas gdy urządzenie kwantowe robi to w minuty.

Teoretyk z Caltech, John Preskill, mówiąc na tym samym wydarzeniu, nazwał ten okres erą NISQ, dla szumnych komputerów kwantowych w średniej skali, i powiedział, że postępy w kierunku maszyny odpornej na błędy muszą kontynuować się.

Supremacja, a potem kontrataka

Wynik z 2019 roku pojawił się w artykule, który Fortune uzyskało po krótkim opublikowaniu go na NASA.gov, a następnie usunięciu. Google odmówiło potwierdzenia jego autentyczności w tamtym czasie. Własny blog firmy później opisał obliczenie testowe jako trwające 200 sekund w porównaniu z tysiącami lat dla najlepszych znanych algorytmów na najpotężniejszych superkomputerach. Artykuł stwierdzał, że serwer Google Cloud potrzebowałby 50 bilionów godzin na to samo zadanie, a na procesorze kwantowym zajęło to 30 sekund.

Sycamore miał 53 kubity, zredukowane z projektu 72-kubitowego o nazwie Bristlecone. Badacze napisali, że kwantowe przyspieszenie jest osiągalne w rzeczywistym systemie i nie jest wykluczone przez ukryte prawa fizyki, oraz przewidzieli, że moc obliczeniowa komputerów kwantowych będzie rosła w tempie podwójnie wykładniczym.

IBM Gil odrzucił ramowanie, a nie eksperyment. Powiedział Fortune, że test był bardzo specjalnym przypadkiem laboratoryjnym bez praktycznych zastosowań, a komputery kwantowe będą działać we współpracy z maszynami klasycznymi, a nie panować nad nimi. Jim Clarke, dyrektor sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał to znaczącym kamieniem milowym i powiedział, że komercyjnie wykonalny komputer kwantowy wymagałby wielu dalszych postępów.

Od tego czasu pole nadal porusza się w kierunku problemu ważniejszego niż pojedynczy benchmark: korekcja błędów. Opublikowane badania opisały faktoryzację z znacznie mniejszą liczbą lat-rdzeni CPU niż wcześniejsze szacunki, a ostatnie nagłówki wokół IonQ, Infleqtion i drogi mapy Departamentu Energii wskazują w tym samym kierunku. Żaden z tych elementów nie wymazuje 2019 roku. Po prostu potwierdza to, co Monroe powiedział na początku: kamień milowy był początkiem, a nie linią mety.