Supremacja kwantowa: co ogłosił Google w 2019 roku i dlaczego IBM się sprzeciwił

Twierdzenie Google opiera się na jednej liczbie: 200 sekund wobec szacowanych 10 000 lat. Praca trafiła na NASA.gov, a 20 września 2019 roku opisał ją Fortune. Badacze firmy napisali, że ich procesor potrzebuje około 200 sekund, żeby milion razy próbkować jedno wystąpienie obwodu kwantowego. Nowoczesny superkomputer potrzebowałby na równoważne zadanie około 10 000 lat. Na tym porównaniu stoi cały termin supremacja kwantowa. Oznacza on, że maszyna kwantowa rozwiązuje problem, którego komputer klasyczny nie rozwiąże w żadnym praktycznym czasie.

Maszyna nazywała się Sycamore i miała 53 kubity. Google wcześniej zaprojektował 72-kubitowe urządzenie Bristlecone, po czym się z niego wycofał. Badacze oszacowali też, że ten sam eksperyment na serwerze Google Cloud zająłby 50 bilionów godzin, a na procesorze kwantowym 30 sekund.

Na początku Google niczego nie potwierdził. Rzecznik odmówił potwierdzenia autentyczności pracy i jej wyników, a NASA nie odpowiedziała od razu na prośbę o komentarz. Osoba z Google znająca sytuację zasugerowała, że NASA przypadkowo opublikowała pracę wcześniej, zanim zespół zdążył dokładnie zweryfikować swoje twierdzenia w recenzji naukowej. Taki proces może trwać od kilku tygodni do kilku miesięcy. Jako pierwszy podał tę informację Financial Times.

Dwa lata przygotowań

Google sygnalizował ten cel co najmniej od 2017 roku. W kwietniu tego roku MIT Technology Review napisał, że John Martinis, który kierował grupą badawczą Google, dał sobie zaledwie kilka miesięcy na osiągnięcie kamienia milowego w historii informatyki. Martinis przeszedł do Google pod koniec 2014 roku z University of California, Santa Barbara, gdzie nadal jest profesorem. Jego około 25-osobowy zespół zbudował sześciokubitowy układ w konfiguracji dwa na trzy. Układ testował metodę produkcyjną, w której kubity i konwencjonalne okablowanie sterujące nimi powstają na osobnych chipach, a potem łączy się je metodą bump bonding. Chodzi o to, żeby wyeliminować dodatkowe linie sterujące, które mogą zakłócać pracę kubitów.

„Ten proces w całości działa” – powiedział wówczas Martinis dla MIT Technology Review. „Teraz jesteśmy gotowi, żeby ruszyć szybko”. Mówił, że projekty urządzeń z 30 do 50 kubitów są już w przygotowaniu i że do eksperymentu supremacji kwantowej potrzebuje siatki 49 kubitów. W grudniu 2017 roku, na konferencji Q2B w NASA Ames, ostrzegał przed odczytywaniem postępu przez liczbę kubitów. „Komunikaty prasowe zawsze mówią o wyścigu kwantowym w liczbie kubitów” – cytował go Gizmodo. „To więcej niż tylko ilość, liczy się jakość kubitów”. Gizmodo podało, że Google produkował wtedy swoje 49- lub 50-kubitowe urządzenie i rozpocznie testy w ciągu dwóch tygodni.

Inne firmy działały na tym samym polu. IBM ogłosił w listopadzie 2017 roku, że jego naukowcy zbudowali i zmierzyli prototyp procesora z 50 kubitami. Dario Gil, który kierował działem badań nad obliczeniami kwantowymi i sztuczną inteligencją IBM, powiedział, że po raz pierwszy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali. Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej MIT, niezwiązany z badaniami IBM, stwierdził, że IBM ma prawdopodobnie jeszcze usterki do usunięcia, ale samo ogłoszenie jest oznaką znaczącego postępu.

Gdy praca Google się pojawiła, Dario Gil z IBM, wówczas szef IBM Research, argumentował przeciwko używaniu supremacji kwantowej jako metryki. „Eksperyment i termin »supremacja« zostaną źle zrozumiane przez niemal wszystkich” – powiedział Fortune. Opisał tę pracę jako wysoce szczególny eksperyment laboratoryjny bez praktycznych zastosowań. „Komputery kwantowe nigdy nie będą »supremacyjne« nad klasycznymi, będą raczej działać w porozumieniu z nimi, ponieważ każde mają swoje unikalne mocne strony”.

Potwierdzenie w Nature i czego to nie oznaczało

23 października 2019 roku blog Google potwierdził, że Nature opublikowało wynik w numerze na 150-lecie pisma. Blog opisał testowe obliczenie jako trwające 200 sekund i powtórzył, że najlepsze znane algorytmy na najpotężniejszych superkomputerach potrzebowałyby tysięcy lat. Przedstawił to jako moment „hello world”, na który dziedzina czekała. Stwierdził też wprost, że droga od eksperymentów laboratoryjnych do praktycznych zastosowań jest długa i że minie wiele lat, zanim uda się wdrożyć szerszy zestaw rzeczywistych zastosowań.

Sami badacze Google napisali w pracy coś podobnego. „Dzieli nas tylko jeden kreatywny algorytm od wartościowych zastosowań w bliskiej perspektywie” – napisali. Blog odnotował 13-letni wysiłek: Hartmut Neven zaczął badać obliczenia kwantowe dla uczenia maszynowego w 2006 roku, Martinis i jego zespół z Santa Barbara dołączyli w 2014 roku, a Sergio Boixo opublikował pracę dwa lata później. To ona skupiła wysiłek na dobrze zdefiniowanym zadaniu obliczeniowym supremacji kwantowej.

Zewnętrzni badacze już oddzielali kamień milowy od marketingu. Chris Monroe, profesor University of Maryland i współzałożyciel start-upu IonQ, powiedział MIT Technology Review w 2017 roku, co da osiągnięcie eksperymentu: „To będzie kamień milowy akademicki. Potem nadal trzeba wymyślić, jak uczynić go bardziej skalowalnym i programowalnym”. Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał aktualizację Google z 2019 roku „znaczącym kamieniem milowym” i powiedział, że komercyjnie opłacalny komputer kwantowy wymagałby najpierw wielu postępów w badaniach i rozwoju. „Choć rozwój jest wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii” – powiedział.

Zastrzeżenie, które zwykle ginie, dotyczy skali. Procesory kwantowe musiałyby być znacznie większe niż 50 kubitów, żeby wykonywać użyteczną pracę, zauważył MIT Technology Review. Eksperyment supremacji zaprojektowano jako trudny dla maszyny klasycznej właśnie dlatego, że nie jest użytecznym problemem przemysłowym. Próbkował losowo generowane liczby w specjalistycznym scenariuszu z udziałem zjawisk kwantowych i obliczał wynik pewnych specjalistycznych obwodów. Nie rozwiązywał niczego, co biznes potrzebuje rozwiązać.

Dlatego IBM nadal forsował inną miarę. Do marca 2019 roku, jak podał ZDNET, IBM przedstawiał swój najwyższy dotychczas Quantum Volume. To metryka wydajności łącząca liczbę kubitów, łączność, czas koherencji, błędy bramek i pomiarów, przesłuchy między urządzeniami oraz efektywność kompilatora oprogramowania obwodów. IBM podał, że jego Q System One z 20-kubitowym procesorem osiągnął Quantum Volume 16, dwukrotnie więcej niż ówczesny IBM Q na poziomie 8. Firma twierdziła, że Quantum Volume będzie musiał podwajać się co roku, żeby w ciągu najbliższej dekady osiągnąć Quantum Advantage, punkt, w którym zastosowania kwantowe dają znaczące przewagi nad klasycznymi. IBM podwajał moc swoich komputerów kwantowych co roku od 2017 roku.

Google ujął ten moment wznioślej. Blog porównał go do zbudowania pierwszej rakiety, która opuściła grawitację Ziemi, żeby dotknąć krawędzi kosmosu, i do pytań, które potem następowały, po co tam w ogóle lecieć. „Pokazało nam, co jest możliwe, i wsunęło pozornie niemożliwe w kadr” – napisano. Autorzy pracy poszli dalej i przewidzieli, że moc obliczeń kwantowych będzie rosnąć w tempie podwójnie wykładniczym, szybszym nawet niż tempo wykładnicze, które definiowało prawo Moore’a.

Zastrzeżenie o recenzji nigdy nie zniknęło całkowicie z tej historii, ale publikacja w Nature rozstrzygnęła kwestię, czy wynik zostanie formalnie zweryfikowany. Nie rozstrzygnęła sporu o samo słowo. Blog Google nazwał supremację kwantową terminem technicznym o wąskim znaczeniu. IBM obawiał się, że wąskie znaczenie zostanie odczytane jako szerokie. To odczytanie towarzyszy tej dziedzinie od tamtej pory.