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. Mierzy, jak szybko układ wyprzedza klasyczny sprzęt w zadaniu zwanym próbkowaniem losowych obwodów.

Twierdzenie przychodzi bez zwykłych zastrzeżeń o niestandardowej kalibracji czy uprzywilejowanym dostępie. Zespół pod kierunkiem Tigrana Sedrakyana, fizyka teoretycznego materii skondensowanej w BlueQubit, wybrał 61 z kubitów Nighthawk r2. Przepuścił przez standardowy obieg chmurowy platformy losowe obwody o rosnącej złożoności, do 40 cykli. Nikt nie dostrajał sprzętu na potrzeby eksperymentu. Najlepszy punkt okazał się przy 36 cyklach, z udziałem 918 bramek dwukubitowych. Przy tym ustawieniu procesor wyprodukował milion próbek w 19 sekund. Autorzy piszą, że według ich wiedzy to pierwsza demonstracja przewagi kwantowej dla zwykłego próbkowania losowych obwodów na komercyjnie i szeroko dostępnym procesorze kwantowym, który łatwo powtórzyć użytkownikom bez specjalistycznej wiedzy.

Dlaczego 110 lat to szacunek, a nie wyrok

Nikt nie puścił tego samego zadania na superkomputerze. Tak to nie działa. Zadanie ma być praktycznie niewykonalne dla klasycznego sprzętu. Najszybsze maszyny świata są zajęte, więc badacze sięgnęli po kontrakcję sieci tensorowych. Ta technika szacuje koszt obliczeniowy symulacji obwodu kwantowego.

Tą metodą obliczyli, że odtworzenie ich miliona próbek wymagałoby około 1,2 x 10^27 operacji obliczeniowych. Frontier, pierwszy superkomputer eksaskalowy i najszybszy do 2024 roku, osiąga szczytowo ponad trylion operacji na sekundę. Przy ostrożnym odczycie jego trwałej wydajności badacze oszacowali równoważnik na około 110 lat.

"Według naszej wiedzy" - piszą badacze w pracy pod kierunkiem fizyka teoretycznego materii skondensowanej Tigrana Sedrakyana z BlueQubit - "to pierwsza demonstracja przewagi kwantowej dla zwykłego próbkowania losowych obwodów na komercyjnie i szeroko dostępnym procesorze kwantowym, który większość użytkowników bez specjalistycznej wiedzy może łatwo powtórzyć".

ScienceAlert ostrożnie podchodzi do tej liczby i czytelnicy powinni tak samo. 110 lat to nie fundamentalny limit szybkości klasycznych komputerów. To szacunek związany z jednym sposobem odtworzenia eksperymentu. Klasyczni badacze mają za sobą serię znalezionych skrótów. Wydajniejsze algorytmy mogłyby zmniejszyć potrzebną pracę. Sedrakyan i współautorzy przyznają 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 kontekstu, sam wyścig nie jest nowy. Badacze z UC Berkeley położyli podstawy teoretyczne pod próbkowanie losowych obwodów w 2018 roku. 53-kubitowy procesor Sycamore firmy Google złożył podobne twierdzenie w 2019 roku, a klasyczni badacze przez kolejne lata je podważali. Zmienił się nośnik: usługa chmurowa, a nie specjalnie zbudowane stanowisko laboratoryjne.

W tym samym tygodniu zamknięto 25-letnią lukę pomiarową

Tego samego dnia, gdy ScienceAlert opublikował tekst, Uniwersytet w Kioto ogłosił osobny wynik. Nie ma on nic wspólnego z rekordami szybkości, za to wszystko z pomiarem. Według ScienceDaily z 29 września badacze z Uniwersytetu w Kioto i Uniwersytetu w Hiroszimie opracowali i eksperymentalnie pokazali splątany pomiar, który potrafi rozpoznać stany W. To forma wielofotonowego splątania, która przez dziesięciolecia opierała się takiemu podejściu.

Splątany pomiar to jednorazowa alternatywa dla tomografii kwantowej. Tomografia odtwarza stan z wielu pomiarów, a jej wymagania danych rosną wykładniczo z każdym dodanym fotonem. Naukowcy poradzili sobie już ze stanem GHZ, inną znaną formą wielofotonowego splątania. Dla stanu W nie było porównywalnej metody, ani proponowanej, ani pokazanej.

"Ponad 25 lat po pierwszej propozycji splątanego pomiaru dla stanów GHZ w końcu uzyskaliśmy splątany pomiar także dla stanu W, z rzeczywistą demonstracją eksperymentalną dla 3-fotonowych stanów W" - mówi autor korespondencyjny Shigeki Takeuchi.

Zespół oparł swoje podejście na symetrii cyklicznego przesunięcia, matematycznej właściwości stanu W. Zaprojektował fotoniczny obwód kwantowy wykonujący kwantową transformację Fouriera. Potem zbudował urządzenie z wysoce stabilnych optycznych obwodów kwantowych, które mogło pracować długo bez aktywnego sterowania, i przetestował je z trzema fotonami. Metoda może w zasadzie rozciągać się na stany W z dowolną liczbą fotonów, choć demonstracja objęła trzy.

Obie historie ciągną w różne strony. Jedna to nagłówkowa liczba, którą sama technika jej uzyskania stawia pod znakiem zapytania. Druga to cicha umiejętność, która ułatwia charakteryzowanie przyszłych systemów wielofotonowych. Obie pojawiły się w ciągu kilku godzin od siebie.

Co jeszcze ruszyło się 29 września

Tego samego dnia pojawiły się dwie kolejne rzeczy warte uwagi. Każda wskazuje na inne wąskie gardło.

• Cloudflare podał, że pracował z IETF nad zabezpieczeniem przed atakami downgrade na IPsec i wdrożył wsparcie w wersji beta w Cloudflare WAN i Magic Transit. Firma napisała, że atak wymaga przeprowadzenia obliczeń kwantowych w czasie rzeczywistym podczas uzgadniania protokołu. Przyznała, że nie wie jeszcze, czy i kiedy będzie to wykonalne, i przesunęła termin przejścia na kryptografię postkwantową na 2029 rok.
• Efficient Computer ogłosił rundę Series B o wartości 97 mln dolarów pod przewodnictwem TQ Ventures, co podniosło łączne finansowanie do 173 mln dolarów przy wycenie 650 mln dolarów. Prezes Brandon Lucia napisał, że technologia firmy daje 10-100x poprawę efektywności energetycznej w porównaniu z tradycyjnymi architekturami CPU. Dodał, że Electron E1 wchodzi do masowej produkcji dla wbudowanych systemów fizycznej AI.

Energia i migracja kryptograficzna to nieefektowne ograniczenia siedzące pod każdym kwantowym nagłówkiem. Cloudflare w swoim wpisie zauważa, że szacunki zasobów potrzebnych do ataków kwantowych na kryptografię klucza publicznego dramatycznie spadły. Dlatego firma przesunęła swój termin do przodu, a nie do tyłu.

Jest też historia po stronie podaży. China-in-Space poinformował 29 września, że STAR.VISION Aerospace pokazał na Global Digital Trade Expo 25 września konstelację obliczeń kosmicznych. Planuje około 1 080 statków kosmicznych do 2035 roku oraz umowy kredytowe o wartości strategicznej 10 mld juanów (1,49 mld dolarów według stanu na 28 września) z dwoma chińskimi bankami. Szczegółów o orbitach, łączach międzysatelitarnych i rozmiarach radiatorów nie podano.

Nic z tego nie rozstrzyga, czy 19 sekund IBM się utrzyma. Zostanie to sprawdzone tak, jak sprawdzono twierdzenie Sycamore, przez ludzi, których zadaniem jest znaleźć skrót. Praca jest na arXiv, a platforma w chmurze. To przynajmniej znaczy, że spór o replikację może toczyć się publicznie.