Μια εντυπωσιακή επίδειξη των δυνατοτήτων που αρχίζουν να αποκτούν οι κβαντικοί υπολογιστές παρουσίασε ομάδα ερευνητών, χρησιμοποιώντας τον νέο κβαντικό επεξεργαστή Nighthawk r2 της IBM.
Το σύστημα κατάφερε να ολοκληρώσει σε μόλις 19 δευτερόλεπτα μια εξαιρετικά απαιτητική υπολογιστική διαδικασία, για την οποία οι ερευνητές εκτιμούν ότι ένας από τους ισχυρότερους συμβατικούς υπερυπολογιστές στον κόσμο θα χρειαζόταν πάνω από έναν αιώνα.
Το αποτέλεσμα παρουσιάστηκε σε ερευνητική εργασία που αναρτήθηκε στις 23 Σεπτεμβρίου στο arXiv και αφορά ένα πείραμα «random-circuit sampling», δηλαδή δειγματοληψίας τυχαίων κβαντικών κυκλωμάτων. Η μελέτη βρίσκεται ακόμη σε μορφή preprint και δεν έχει περάσει από τη διαδικασία αξιολόγησης ομοτίμων (peer review).
Το αξιοσημείωτο, ωστόσο, δεν βρίσκεται μόνο στην τεράστια διαφορά των χρόνων. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε σε έναν κβαντικό επεξεργαστή που δεν κατασκευάστηκε αποκλειστικά για τη συγκεκριμένη δοκιμή σε κάποιο κλειστό εργαστήριο, αλλά είναι εμπορικά προσβάσιμος μέσω της cloud πλατφόρμας της IBM.
Τι έκανε ο Nighthawk r2 σε 19 δευτερόλεπτα
Ο Nighthawk r2 είναι ένας υπεραγώγιμος κβαντικός επεξεργαστής με 120 προγραμματιζόμενα qubits. Σύμφωνα με την IBM, πρόκειται για τη δεύτερη έκδοση της οικογένειας Nighthawk, η οποία διαθέτει μεταξύ άλλων σύστημα ταχείας επαναφοράς των qubits και μπορεί να ξεπεράσει τα 100.000 κυκλώματα ανά δευτερόλεπτο.
Για το συγκεκριμένο πείραμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν 61 από τα 120 qubits και τα υπέβαλαν σε τυχαία κβαντικά κυκλώματα αυξανόμενης πολυπλοκότητας.
Το κρίσιμο σημείο έφτασε στους 36 κύκλους, όπου το κύκλωμα περιλάμβανε 918 πύλες δύο qubits.
Σε αυτή τη διαμόρφωση, ο κβαντικός επεξεργαστής κατάφερε να δημιουργήσει ένα εκατομμύριο δείγματα μέσα σε 19 δευτερόλεπτα QPU time.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι πρόκειται για επίδειξη «κβαντικού πλεονεκτήματος» (quantum advantage), δηλαδή για μια περίπτωση όπου ένα κβαντικό σύστημα εκτελεί συγκεκριμένη υπολογιστική εργασία σε χρόνο που καθίσταται εξαιρετικά δύσκολο να ανταγωνιστεί ένα συμβατικό υπολογιστικό σύστημα.
Από πού προκύπτουν τα «110 χρόνια»
Εδώ βρίσκεται και η σημαντικότερη διευκρίνιση.
Οι επιστήμονες δεν έβαλαν τον υπερυπολογιστή Frontier να εκτελεί το συγκεκριμένο πρόβλημα επί 110 χρόνια. Ο αριθμός αποτελεί υπολογιστική εκτίμηση.
Για το κύκλωμα των 36 κύκλων, οι ερευνητές υπολόγισαν ότι η κλασική προσομοίωση μίας amplitude θα απαιτούσε περίπου 10²² σύνθετες πράξεις.
Για να παραχθεί το σύνολο του ενός εκατομμυρίου δειγμάτων στην απαιτούμενη πιστότητα, η εκτίμηση φτάνει περίπου στις 1,2 × 10²⁷ υπολογιστικές πράξεις.
Με βάση το μοντέλο που χρησιμοποιεί η εργασία, ένα τέτοιο φορτίο αντιστοιχεί σε περισσότερο από έναν αιώνα λειτουργίας του Frontier, ενός από τα ισχυρότερα κλασικά υπολογιστικά συστήματα στον κόσμο.
Το ScienceAlert επισημαίνει ακριβώς αυτή τη διάκριση: τα 19 δευτερόλεπτα είναι μετρημένος χρόνος, ενώ ο χρόνος του συμβατικού υπερυπολογιστή αποτελεί εκτίμηση που βασίζεται σε συγκεκριμένες μεθόδους κλασικής προσομοίωσης.
Γιατί τα 110 χρόνια μπορεί να μην παραμείνουν 110 χρόνια
Η παραπάνω διαφορά δεν σημαίνει ότι αποδείχθηκε πως οποιοσδήποτε συμβατικός υπολογιστής, με οποιονδήποτε αλγόριθμο, θα χρειάζεται υποχρεωτικά περισσότερο από έναν αιώνα.
Η ιστορία των πειραμάτων «κβαντικού πλεονεκτήματος» έχει δείξει ότι οι κλασικοί αλγόριθμοι μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά μετά τη δημοσίευση τέτοιων αποτελεσμάτων, μειώνοντας το αρχικό χάσμα.
Η ίδια η ερευνητική εργασία αντιμετωπίζει επομένως την εκτίμηση ως μέτρο σύγκρισης και όχι ως ένα αμετάβλητο φυσικό όριο των συμβατικών υπολογιστών.
Αυτό σημαίνει ότι μελλοντικές τεχνικές προσομοίωσης ή νέοι αλγόριθμοι θα μπορούσαν να μειώσουν σημαντικά τον εκτιμώμενο χρόνο.
Το στοιχείο που κάνει διαφορετικό το πείραμα
Εκεί όπου η νέα εργασία αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι η προσβασιμότητα του συστήματος.
Προηγούμενα ορόσημα κβαντικού πλεονεκτήματος έχουν επιτευχθεί με ιδιαίτερα εξειδικευμένα πειραματικά συστήματα. Στην προκειμένη περίπτωση, όμως, η ομάδα χρησιμοποίησε το Nighthawk r2 μέσω της συνηθισμένης cloud υποδομής της IBM και χωρίς ειδική βαθμονόμηση του επεξεργαστή αποκλειστικά για το συγκεκριμένο benchmark.
Οι ερευνητές χαρακτηρίζουν το αποτέλεσμα ως την πρώτη, κατά τη γνώση τους, επίδειξη κβαντικού πλεονεκτήματος σε «vanilla» random-circuit sampling πάνω σε έναν εμπορικά και ευρέως προσβάσιμο κβαντικό επεξεργαστή.
Παράλληλα, έχουν δημοσιοποιηθεί τα κυκλώματα, η διάταξη και τα παραγόμενα bitstrings, επιτρέποντας σε άλλες ερευνητικές ομάδες να επιχειρήσουν την αναπαραγωγή και τον έλεγχο του αποτελέσματος.
Το πείραμα επαναλήφθηκε – Με μία σημαντική επιφύλαξη
Ήδη υπάρχει και μια πρώτη ενδιαφέρουσα προσπάθεια αναπαραγωγής.
Η Edukaizen αναφέρει ότι εκτέλεσε το ίδιο δημοσιευμένο κύκλωμα των 61 qubits και 36 κύκλων στον ίδιο Nighthawk r2 και κατάφερε επίσης να παραγάγει ένα εκατομμύριο bitstrings σε 19 δευτερόλεπτα QPU time.
Αυτό αποτελεί επιβεβαίωση του χρόνου εκτέλεσης του κυκλώματος, όχι όμως πλήρη ανεξάρτητη επιβεβαίωση του ισχυρισμού περί κβαντικού πλεονεκτήματος.
Η ομάδα διευκρινίζει ότι δεν επανέλαβε ολόκληρη τη διαδικασία υπολογισμού της πιστότητας που πραγματοποίησαν οι συγγραφείς της αρχικής μελέτης.
Δεν σημαίνει ότι ένας κβαντικός υπολογιστής είναι «εκατομμύρια φορές ταχύτερος»
Το αποτέλεσμα χρειάζεται, τέλος, να τοποθετηθεί στο σωστό πλαίσιο.
Ο Nighthawk r2 δεν έλυσε ένα συνηθισμένο πρόβλημα σε 19 δευτερόλεπτα που ένας συμβατικός υπολογιστής θα έλυνε σε 110 χρόνια.
Το random-circuit sampling είναι ένα εξαιρετικά εξειδικευμένο benchmark σχεδιασμένο για να δοκιμάζει τα όρια μεταξύ κβαντικής και κλασικής υπολογιστικής.
Επομένως, το πείραμα δεν σημαίνει ότι οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές είναι γενικά ταχύτεροι από τους συμβατικούς ή ότι μπορούν να αντικαταστήσουν τους σημερινούς υπερυπολογιστές.
Δείχνει όμως κάτι που για τους ερευνητές είναι ιδιαίτερα σημαντικό: ότι σε συγκεκριμένες και εξαιρετικά απαιτητικές υπολογιστικές εργασίες, ένα κβαντικό σύστημα διαθέσιμο πλέον μέσω cloud μπορεί να εισέλθει σε περιοχή όπου η πιστή αναπαραγωγή του αποτελέσματός του από συμβατικές υπολογιστικές μεθόδους γίνεται εξαιρετικά δύσκολη.
Και ίσως αυτό είναι το σημαντικότερο στοιχείο της νέας επίδειξης: το «κβαντικό πλεονέκτημα» μετακινείται σταδιακά από τα ειδικά πειραματικά συστήματα των εργαστηρίων σε κβαντικό hardware στο οποίο μπορούν να αποκτήσουν πρόσβαση και άλλοι ερευνητές μέσω του cloud.
