Supremacja kwantowa: co obiecały Google, IBM i wyścig o kubity

W kwietniu 2017 roku John Martinis wyznaczył sobie termin. Szef grupy badawczej Google zajmującej się technologią kwantową powiedział MIT Technology Review, że do końca tego roku jego zespół zbuduje urządzenie, które osiągnie "supremację kwantową", czyli wykona konkretne obliczenie poza zasięgiem jakiegokolwiek klasycznego komputera.

"Uważamy, że jesteśmy gotowi przeprowadzić ten eksperyment. To coś, co możemy zrobić teraz" powiedział Martinis w rozmowie z MIT Technology Review. Dowodem miał być wyścig między układem Google a jednym z największych superkomputerów świata.

Taka była zapowiedź. Potem przyszły dwa i pół roku produkcji, testów, wycieków dokumentów i publicznego sceptycyzmu co do tego, co ten kamień milowy właściwie mierzy.

Czym jest kubit i dlaczego dziewięć zamieniło się w 49

Układy kwantowe przechowują dane w kubitach. Te urządzenia skracają drogę przez niektóre trudne obliczenia, bo wykorzystują mechanikę kwantową. Klasyczny bit jest albo 0, albo 1. Kubit może być jednym i drugim naraz, w superpozycji, co pozwala maszynie przetwarzać wiele stanów jednocześnie w przypadku pewnych problemów.

To teoria. Inżynieria jest trudniejsza. Jak wyjaśniał EE Journal w tekście z 2014 roku o podejściu University of California w Santa Barbara, operacje kwantowe sprowadzają się do realizowania obrotów na grupach splątanych kubitów, a pomiar wyniku sprowadza superpozycję do odpowiedzi, która może być błędna. Niezawodność nie jest sprawą drugorzędną: artykuł podaje, że nieskorygowana niezawodność musi przekroczyć 99%, zanim korekcja błędów zajmie się resztą. Kubity UCSB, nazywane transmonami, pracowały w temperaturze około 30 milikelwinów powyżej zera absolutnego.

Rodzina układów Google rosła na oczach wszystkich. W kwietniu 2017 roku firma opublikowała wyniki z dziewięciokubitowego układu ułożonego w linii. Martinis mówił, że do eksperymentu supremacji potrzebuje siatki 49 kubitów. Najnowsze urządzenie miało wtedy tylko sześć kubitów, ale ułożonych dwa na trzy, żeby zespół mógł sprawdzić, czy jego technologia nadal działa, gdy kubity leżą obok siebie. Testowano też metodę produkcji, w której kubity i ich okablowanie sterujące powstają na osobnych układach i są później łączone metodą bump bonding. To podejście ma usunąć dodatkowe linie sterujące, które zakłócają pracę kubitów.

"Ten proces działa" powiedział Martinis w rozmowie z MIT Technology Review. "Teraz jesteśmy gotowi ruszyć szybko."

Google nie był sam. Tekst MIT Technology Review wymienia Intela, Microsoft, IBM i startupy wśród tych, które ścigały się w budowie procesorów kwantowych. Simon Gustavsson, badacz informatyki kwantowej z MIT, powiedział redakcji, że Google i IBM są "dość porównywalne". Chris Monroe, profesor University of Maryland i współzałożyciel startupu IonQ, był bardziej dosadny co do wartości tego celu: "To będzie kamień milowy o znaczeniu akademickim. Potem i tak trzeba wymyślić, jak zrobić to bardziej skalowalne i programowalne."

IBM odpowiada 50 kubitami

W listopadzie 2017 roku IBM ogłosił rekord skali. Dario Gil, który kierował działem badań nad technologią kwantową i sztuczną inteligencją w IBM, powiedział w piątek 10 listopada, że naukowcy firmy zbudowali i zmierzyli prototyp procesora o 50 kubitach. Podało to Associated Press za The Seattle Times.

Gil stwierdził, że to pierwszy raz, gdy jakakolwiek firma zbudowała komputer kwantowy w tej skali. Seth Lloyd, profesor inżynierii mechanicznej z MIT, niezwiązany z badaniami IBM, powiedział AP, że IBM prawdopodobnie ma jeszcze usterki do usunięcia, ale ogłoszenie o 50 kubitach to znak istotnego postępu.

Na konferencji o informatyce kwantowej dla biznesu w NASA Ames w grudniu 2017 roku, relacjonowanej przez Gizmodo, Martinis sprzeciwił się liczeniu kubitów jako tablicy wyników. "Komunikaty prasowe zawsze mówią o wyścigu kwantowym w liczbie kubitów" powiedział. "To więcej niż ilość, to jakość kubitów."

Gizmodo podało, że Google produkował w tym miesiącu swój 49- lub 50-kubitowy układ do supremacji i dwa tygodnie później miał zacząć testy, jeśli pozwolą święta. Martinis opisał, na czym będzie polegał eksperyment: splątanie kubitów, pozwolenie układowi na ewolucję i pomiar wyników o rozkładzie prawdopodobieństwa tak złożonym, że klasyczna maszyna musiałaby symulować komputer kwantowy, żeby go sprawdzić. Taka symulacja mogłaby zajmować tygodnie na to, co komputer kwantowy zrobiłby w minuty.

Jakość oznaczała kubity, które nie dają błędnej wartości ani nie rozpadają się w zwykłe bity przez interakcję z otoczeniem. Teoretyk z Caltech John Preskill, mówiąc na tej samej konferencji, nazwał obecny okres erą NISQ, czyli Noisy, Intermediate-Scale quantum computer, i powiedział, że postęp w stronę maszyny odpornej na błędy musi trwać.

Twierdzenie o 200 sekundach

Wynik pojawił się we wrześniu 2019 roku, choć nie tak, jak planował Google. Fortune podało 20 września, że zdobyło kopię pracy Google, która na początku tego tygodnia została opublikowana na NASA.gov, po czym ją usunięto. Financial Times pierwszy podał tę wiadomość. Rzecznik Google odmówił potwierdzenia autentyczności pracy, a NASA nie odpowiedziała od razu na prośbę o komentarz, według Fortune.

Źródło w Google zasugerowało Fortune, że NASA opublikowała pracę za wcześnie, zanim twierdzenia mogły przejść recenzję. Według tego źródła proces recenzji mógł zająć od tygodni do miesięcy.

Kluczowe liczby z pracy, według Fortune: procesor Google, nazwany Sycamore, zawierał 53 kubity, mniej niż 72-kubitowe urządzenie Bristlecone, które zespół zaprojektował wcześniej. Próbkowanie jednego przypadku specjalistycznego obwodu kwantowego 1 000 000 razy zajęło procesorowi około 200 sekund. Najnowocześniejszy superkomputer potrzebowałby na równoważne zadanie około 10 000 lat, twierdzili badacze. Na serwerze Google Cloud ten sam eksperyment zająłby szacunkowo 50 000 000 000 000 godzin; na procesorze kwantowym zajął 30 sekund.

"Podczas gdy nasz procesor potrzebuje około 200 sekund na próbkowanie jednego przypadku obwodu kwantowego 1 000 000 razy, najnowocześniejszy superkomputer wymagałby około 10 000 lat na wykonanie równoważnego zadania."

Badacze napisali, że procesory kwantowe oparte na nadprzewodzących kubitach mogą teraz wykonywać obliczenia poza zasięgiem najszybszych klasycznych superkomputerów dostępnych dziś. Eksperyment był pierwszym obliczeniem, które można wykonać wyłącznie na procesorze kwantowym. Przewidzieli też, że moc obliczeń kwantowych będzie rosła w tempie podwójnie wykładniczym, bijąc około dwuletnie podwojenie prawa Moore'a.

Sprzeciw

Dario Gil z IBM, wtedy szef IBM Research, powiedział Fortune, że wyniku nie należy traktować jako miary postępu. "Eksperyment i termin 'supremacja' zostaną opacznie zrozumiane przez niemal wszystkich" stwierdził. Opisał go jako wysoce szczególny eksperyment laboratoryjny bez praktycznych zastosowań. "Komputery kwantowe nigdy nie będą 'panować' nad klasycznymi, będą raczej działać z nimi w porozumieniu, bo każde z nich ma swoje unikalne mocne strony."

Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał ten krok "znaczącym kamieniem milowym" i powiedział, że komercyjnie opłacalny komputer kwantowy wymagałby jeszcze wielu postępów w badaniach i rozwoju. "Choć rozwój jest wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii" powiedział.

IBM miał własny sposób liczenia punktów. W marcu 2019 roku, jak podało ZDNET, IBM określił Quantum Volume na 16 dla swojego Q System One, który ma 20-kubitowy procesor. To dwa razy więcej niż Quantum Volume 8 dla poprzedniego systemu IBM Q. Quantum Volume łączy liczbę kubitów, łączność i czas koherencji, uwzględniając błędy bramek i pomiarów, przesłuchy między urządzeniami i efektywność kompilatora. IBM stwierdził, że Quantum Volume musi się podwajać co roku, żeby w ciągu najbliższej dekady osiągnąć Quantum Advantage, czyli punkt, w którym zastosowania kwantowe dają istotne przewagi nad klasycznymi komputerami.

To ujęcie, jakość ponad samą liczbę, przetrwało nagłówki z 2019 roku. Praca Google przedstawiała wynik jako przejście informatyki kwantowej od tematu badawczego do technologii otwierającej nowe możliwości obliczeniowe. Dodawała, że dziedzinę dzieli "tylko jeden twórczy algorytm od wartościowych zastosowań w najbliższej przyszłości".

Czytane razem, rekordy z 2017 i 2019 roku opisują kamień milowy, który był prawdziwy, wąski i mocno kwestionowany. 53-kubitowy układ próbkował obwód w 200 sekund, co superkomputerowi zajęłoby tysiąclecia. Nie uruchomił użytecznego programu, a ludzie budujący konkurencyjne maszyny powiedzieli to pierwsi.

Ten wzorzec prawdopodobnie się powtórzy. Google wyznaczył termin w kwietniu 2017 roku, IBM ogłosił 50 kubitów w listopadzie 2017 roku, a praca o supremacji wypłynęła we wrześniu 2019 roku. Każde ogłoszenie od nowa rozpoczynało spór o to, która liczba oznacza postęp.