Supremacja kwantowa: jak Google i IBM zamienili liczbę kubitów w wyścig na dekadę

Google ogłosił, że osiągnął supremację kwantową, czyli moment, w którym komputer kwantowy rozwiązuje problem poza praktycznym zasięgiem dowolnej maszyny klasycznej. Praca firmy trafiła do Fortune po tym, jak na krótko pojawiła się na NASA.gov. Opisywała procesor Sycamore z 53 kubitami, czyli bitami kwantowymi.

Sama liczba nie była tu najważniejsza. Gdy Google upublicznił swoje twierdzenie we wrześniu 2019 roku, wyścig zdążył już wyprodukować szereg ogłoszeń zbudowanych wokół liczby kubitów, sztuczek z okablowaniem i wskaźników błędów. Każdemu towarzyszyło zastrzeżenie. „Komunikaty prasowe zawsze mówią o wyścigu kwantowym w liczbie kubitów” – powiedział John Martinis, fizyk z University of California w Santa Barbara, który kierował pracami Google, na konferencji Q2B w NASA Ames w grudniu 2017 roku. „To więcej niż ilość, liczy się jakość kubitów”.

Dwa lata wcześniej test na sześciu kubitach

MIT Technology Review pisał w kwietniu 2017 roku, że Martinis dał sobie kilka miesięcy na osiągnięcie przełomu w historii informatyki. Jego liczący około 25 osób zespół w Google zbudował sześciokubitowy układ w siatce dwa na trzy. Układ miał znaczenie, bo był pierwszym testem tego, czy kubity firmy nadal działają, gdy ustawi się je obok siebie, tak jak trzeba by je ustawić w większym urządzeniu.

Układ testował też metodę produkcji, w której kubity i konwencjonalne okablowanie, które je steruje, powstają na osobnych chipach, a potem są ze sobą łączone. Zespół Google stawiał na to podejście od momentu powstania grupy nieco ponad dwa lata wcześniej, jak podawał ten sam tekst. Celem było wyeliminowanie dodatkowych linii sterujących, które mogą zakłócać pracę kubitów. „Ten proces działa” – mówił wtedy Martinis. „Teraz jesteśmy gotowi ruszyć szybko”.

Na tym etapie Google pokazał obliczenia kwantowe z dziewięcioma kubitami ustawionymi w linii. Martinis mówił, że do eksperymentu z supremacją będzie potrzebował siatki 49 kubitów. Projekty urządzeń z 30 do 50 kubitów były już w toku.

IBM odpowiada 50 kubitami

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

Odpowiedź Google przyszła kilka tygodni później, na konferencji Q2B. Martinis powiedział, że jego zespół produkuje w tym miesiącu urządzenie do eksperymentu z supremacją, z 49 albo 50 kubitami, i za dwa tygodnie zacznie testy, nie licząc opóźnień związanych z przerwą świąteczną. Opisał też problem, który urządzenie ma rozwiązać. Zespół splącze swoje kubity i pozwoli układowi ewoluować w czasie, a potem zmierzy wyniki. Symulacja tych wyników na komputerze klasycznym zajęłaby tygodnie, a maszyna kwantowa zrobiłaby to w kilka minut. Ta różnica pokazałaby zarówno skalę, jak i jakość kubitów.

Nie wszyscy traktowali liczbę kubitów jako użyteczną tablicę wyników. „To będzie przełom akademicki” – powiedział MIT Technology Review Chris Monroe, profesor University of Maryland i współzałożyciel start-upu IonQ zajmującego się obliczeniami kwantowymi. „Potem nadal trzeba wymyślić, jak zrobić to bardziej skalowalne i programowalne”.

Twierdzenie z 2019 roku i kontra

Praca Google mówiła, że jego procesor potrzebował około 200 sekund, żeby próbkować jedno wystąpienie obwodu kwantowego milion razy, a najnowocześniejszy superkomputer potrzebowałby około 10 000 lat na równoważne zadanie. Ten sam eksperyment na serwerze Google Cloud zająłby 50 bilionów godzin, szacowali badacze. Na procesorze kwantowym zajął 30 sekund. „Zgodnie z naszą wiedzą ten eksperyment to pierwsze obliczenie, które można wykonać wyłącznie na procesorze kwantowym” – napisali.

Gil z IBM odrzucił tę ramę. „Eksperyment i termin »supremacja« zostaną źle zrozumiane przez niemal wszystkich” – powiedział Fortune. Opisał to jako wysoce szczególny eksperyment laboratoryjny bez praktycznych zastosowań i stwierdził, że komputery kwantowe będą pracować obok maszyn klasycznych, a nie panować nad nimi. Jim Clarke, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w Intel Labs, nazwał wynik znaczącym kamieniem milowym i powiedział, że komercyjnie opłacalny komputer kwantowy będzie wymagał wielu kolejnych postępów. „Choć prace są wciąż na pierwszym kilometrze tego maratonu, mocno wierzymy w potencjał tej technologii” – mówił.

Własny wpis Google na blogu, opublikowany po tym, jak Nature zamieściło wynik w październiku 2019 roku, łączył świętowanie z ostrożnością. Firma wywodziła swoje prace kwantowe z 2006 roku, gdy naukowiec Hartmut Neven zaczął badać, jak ta technologia mogłaby przyspieszyć uczenie maszynowe, i odnotowała, że Martinis z zespołem z Santa Barbara dołączył w 2014 roku. Stwierdziła, że praktyczne zastosowania są wciąż wiele lat odległe. Przypisała też wymuszone zamknięcie laboratorium podczas pożarów w południowej Kalifornii w październiku 2018 roku pomocy w odbudowaniu zespołu po okresie, w którym postęp wyhamował.

Komercyjne harmonogramy pozostały mgliste. Na marcowym spotkaniu American Physical Society w 2019 roku IBM podał, że jego Q System One z 20-kubitowym procesorem osiągnął Quantum Volume 16, dwa razy więcej niż 8 wcześniejszej maszyny IBM Q. Quantum Volume uwzględnia liczbę kubitów, łączność, czas koherencji, błędy bramek i pomiarów, przesłuchy w urządzeniu oraz wydajność kompilatora. IBM mówił, że ten wskaźnik musiałby się podwajać co roku, żeby w ciągu najbliższej dekady osiągnąć przewagę kwantową, i że od 2017 roku co roku podwajał moc swoich komputerów kwantowych.

ZDNET podawał, że praktyczne, szerokie zastosowania są wciąż odległe o lata. I mniej więcej tu jest cała dziedzina. Przełom, nawet prawdziwy, to nie produkt.