Przewaga kwantowa: jak Google i IBM ścigali się o sporny kamień milowy

Google twierdzi, że osiągnął „przewagę kwantową”. To teza z pracy naukowej i najpoważniejszy jak dotąd sygnał, że komputery kwantowe mogą pokonać maszyny klasyczne w konkretnym zadaniu. Pisał o tym Fortune 20 września 2019 roku. Eksperyment nie był przełomem o ogólnym zastosowaniu. Był popisem, i to wąskim, ale popisem zapowiadanym od lat.

Liczby są tu istotą sprawy. Procesor Google, nazwany Sycamore, zawierał 53 kubity. Zespół wycofał się z wcześniej zaprojektowanego urządzenia o 72 kubitach, Bristlecone. W eksperymencie maszyna kwantowa próbkowała losowo generowane liczby, uzyskane w wyspecjalizowanym scenariuszu z udziałem zjawisk kwantowych. Badacze podali, że ich procesor potrzebował około 200 sekund, by próbkować jedno wystąpienie obwodu kwantowego 1 000 000 razy. Nowoczesny superkomputer, jak oszacowali, potrzebowałby około 10 000 lat na wykonanie równoważnego zadania. Uruchomienie tego samego eksperymentu na serwerze Google Cloud zajęłoby, według ich szacunków, 50 000 000 000 000 godzin.

Praca, która wyciekła przed recenzją

Fortune zdobył kopię pracy. Wcześniej w tym tygodniu umieszczono ją na NASA.gov, po czym ją usunięto. Jako pierwszy poinformował o tym Financial Times. Rzecznik Google odmówił potwierdzenia autentyczności pracy i jej wyników. NASA nie odpowiedziała od razu na prośbę o komentarz.

Źródło w Google zaznajomione ze sprawą zasugerowało, że NASA przypadkowo opublikowała pracę za wcześnie. Twierdzenia zespołu nie przeszły jeszcze pełnej weryfikacji w recenzji naukowej, a ten proces może zająć od tygodni do miesięcy. Ten szczegół ma znaczenie. Gdy informacja się pojawiła, opinia publiczna zobaczyła kamień milowy, zanim naukowcy skończyli go sprawdzać.

„Przyspieszenie kwantowe jest osiągalne w rzeczywistym systemie i nie wykluczają go żadne ukryte prawa fizyki” — napisali badacze Google.

Praca przewidywała też, że moc obliczeń kwantowych będzie „rosnąć w tempie podwójnie wykładniczym”. To tempo bije nawet tempo wykładnicze, które definiowało prawo Moore’a, czyli tendencję mówiącą o podwajaniu mocy tradycyjnych komputerów mniej więcej co dwa lata. Badacze napisali, że procesory kwantowe oparte na kubitach nadprzewodzących mogą teraz wykonywać obliczenia poza zasięgiem najszybszych dostępnych dziś klasycznych superkomputerów. „Zgodnie z naszą wiedzą ten eksperyment to pierwsze obliczenie, które można wykonać wyłącznie na procesorze kwantowym” — napisali.

Droga do 53 kubitów

Kamień milowy nie pojawił się znikąd. W kwietniu 2017 roku MIT Technology Review informował, że John Martinis, który kierował grupą badawczą Google ds. kwantów, dał sobie zaledwie kilka miesięcy na osiągnięcie kamienia milowego w historii informatyki. Do końca tego roku, mówił Martinis, jego zespół zbuduje urządzenie, które osiągnie przewagę kwantową. Jednym z powodów jego pewności był nowy chip z sześcioma kubitami ułożonymi w konfiguracji dwa na trzy. Według Martinisa pokazał on, że technologia wciąż działa, gdy kubity leżą obok siebie. Sześciokubitowy chip testował też metodę produkcji, w której kubity i konwencjonalne okablowanie sterujące nimi powstają na osobnych chipach, a następnie są łączone metodą bump bonding.

W tym czasie Google opublikował wyniki z chipa o dziewięciu kubitach ułożonych w linii. Martinis mówił, że do eksperymentu nad przewagą będzie potrzebował siatki 49 kubitów, a projekty urządzeń o 30 do 50 kubitach były już w toku. Opowiadał o pracy na konferencji IEEE TechIgnite w Burlingame w Kalifornii, ale grupa nie ujawniła jeszcze formalnie szczegółów technicznych.

Google nie był sam. W wyścigu o opracowanie procesorów kwantowych brały udział Intel, Microsoft i IBM, a także start-upy. Simon Gustavsson, główny badacz w grupie zajmującej się obliczeniami kwantowymi w MIT, powiedział MIT Technology Review, że Google był jednym z liderów. „Google i IBM są całkiem porównywalni” — stwierdził. Chris Monroe, profesor na University of Maryland i współzałożyciel start-upu IonQ, nazwał eksperyment nad przewagą „kamieniem milowym akademickim”. „Potem wciąż trzeba wymyślić, jak zrobić go bardziej skalowalnym i programowalnym” — dodał.

Kontratak IBM-a

IBM miał własne ogłoszenie. 10 listopada 2017 roku Associated Press informowała, że naukowcy IBM zbudowali i zmierzyli prototyp procesora o 50 kubitach. Dario Gil, który kierował działem badań IBM nad obliczeniami kwantowymi i sztuczną inteligencją, powiedział, że to pierwszy raz, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali. Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej w MIT, niezwiązany z badaniami IBM, powiedział, że IBM prawdopodobnie wciąż ma usterki do usunięcia, ale ogłoszenie o 50 kubitach było oznaką istotnego postępu.

W marcu 2019 roku IBM mówił już o innym wskaźniku. ZDNET informował, że IBM przedstawi swój najwyższy dotąd Quantum Volume na marcowym spotkaniu American Physical Society. Quantum Volume to wskaźnik wydajności. Uwzględnia liczbę kubitów, łączność i czas koherencji, a także błędy bramek i pomiarów, przesłuchy między urządzeniami oraz efektywność kompilatora oprogramowania obwodów. IBM podał, że jego Q System One, wyposażony w 20-kubitowy procesor, osiągnął Quantum Volume 16, dwa razy więcej niż ówczesny IBM Q, który miał Quantum Volume 8. IBM podał też, że Q System One ma jedne z najniższych zmierzonych przez firmę wskaźników błędów.

IBM twierdził, że Quantum Volume będzie musiał podwajać się co roku, by w ciągu najbliższej dekady osiągnąć przewagę kwantową. To moment, w którym aplikacje kwantowe dają istotne korzyści nad komputerami klasycznymi. IBM podwajał moc swoich komputerów kwantowych co roku od 2017 roku. Swoją technologię obliczeń kwantowych udostępnił przez usługę chmurową w 2016 roku.

Czego ten kamień milowy nie oznacza

Sceptycy byli gotowi. Dario Gil, szef IBM Research, odradzał używanie przewagi kwantowej jako wskaźnika do mierzenia postępu w tej dziedzinie. „Eksperyment i termin »przewaga« zostaną błędnie zrozumiane przez niemal wszystkich” — powiedział Fortune. Gil opisał eksperyment jako wysoce szczególny przypadek, „eksperyment laboratoryjny”, który „nie ma praktycznych zastosowań”. Dodał: „Komputery kwantowe nigdy nie będą »panować« nad klasycznymi, będą raczej działać razem z nimi, bo każde mają swoje unikalne mocne strony”.

Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał komunikat Google „znaczącym punktem na drodze”. Powiedział, że komercyjnie opłacalny komputer kwantowy będzie wymagał wielu postępów w badaniach i rozwoju, zanim stanie się rzeczywistością. „Choć prace są wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii” — dodał Clarke.

Sam Google ostrożnie ujął wynik. We wpisie na blogu z 23 października 2019 roku, po tym jak Nature zamieścił pracę w numerze na 150-lecie, firma podała, że kamień milowy to moment „hello world”, na który czekała. Zastrzegła jednak, że minie wiele lat, zanim uda się wdrożyć szerszy zestaw rzeczywistych zastosowań. Wpis opisywał 13-letni wysiłek, zapoczątkowany w 2006 roku, gdy naukowiec Google Hartmut Neven zaczął badać, jak obliczenia kwantowe mogłyby przyspieszyć uczenie maszynowe. John Martinis i jego zespół z University of California w Santa Barbara dołączyli w 2014 roku. Dwa lata później Sergio Boixo opublikował pracę, która skupiła wysiłek wokół dobrze zdefiniowanego zadania obliczeniowego, jakim jest przewaga kwantowa.

Google przyznał też ograniczenia. Komputery kwantowe są podatne na błędy, ale eksperyment pokazał, że da się wykonać obliczenie z wystarczająco małą liczbą błędów i w wystarczająco dużej skali, by prześcignąć komputer klasyczny. Wpis porównał ten moment do zbudowania pierwszej rakiety, która opuściła ziemską grawitację i dotknęła granicy kosmosu. Wtedy niektórzy pytali, po co lecieć w kosmos, skoro nie prowadzi to donikąd.

To porównanie jest uczciwe. Przewaga kwantowa była testem, nie produktem. Pokazała, że procesor kwantowy potrafi zrobić coś, czego nie potrafi maszyna klasyczna, dla jednego starannie wybranego problemu. Użyteczna praca, taka która mogłaby projektować lepsze baterie albo tańszy nawóz, jest wciąż odległa o lata. Tak twierdzi samo Google i jego krytycy. Spór, który się wywiązał, dotyczył mniej tego, czy eksperyment zadziałał, a bardziej tego, co robiło słowo „przewaga” w nagłówku.