Gdyby świt ery obliczeń kwantowych zaczął się 3 lata temu, jej wschodzące słońce mogło schować się za chmurą. W 2019 roku badacze Google twierdzili, że osiągnęli kamień milowy znany jako supremacja kwantowa, gdy komputer kwantowy Sycamore wykonał w ciągu 200 sekund enigmatyczne obliczenia, które, jak powiedzieli, połączą superkomputer na 10 000 lat. Teraz naukowcy z Chin wykonali obliczenia w ciągu kilku godzin przy użyciu zwykłych procesorów. Mówią, że superkomputer może całkowicie pokonać jawor.
„Myślę, że mają rację, że jeśli mają dostęp do wystarczająco dużego superkomputera, mogą symulować… zadanie w ciągu kilku sekund”, mówi Scott Aaronson, informatyk z University of Texas w Austin. Ten postęp niweluje błyskotliwość twierdzeń Google, mówi Greg Cooperberg, matematyk z University of California w Davis. „Dotarcie do 300 stóp od szczytu jest mniej ekscytujące niż dotarcie na sam szczyt”.
Jednak obietnica obliczeń kwantowych pozostaje bezkompromisowa, twierdzą Cooperberg i in. Sergio Boixo, główny naukowiec w Google Quantum AI, powiedział w e-mailu, że zespół Google wie, że jego funkcja może nie działać długo. „W naszym artykule z 2019 r. powiedzieliśmy, że klasyczne algorytmy będą lepsze” – powiedział. Ale „nie sądzimy, aby to klasyczne podejście nadążało za obwodami kwantowymi w 2022 roku i później”.
Rozwiązany „problem” Sycamore został zaprojektowany tak, aby był trudny dla konwencjonalnego komputera, ale jak najłatwiejszy dla komputera kwantowego, który manipuluje kubitami, które można ustawić na 0, 1 lub – dzięki mechanice kwantowej – dowolną kombinację 0 i 1. w tym samym czasie. Razem 53-kubitowe obwody tłokowe Sycamore wykonane z nadprzewodzącego metalu mogą kodować dowolną liczbę od 0 do 2.53 (prawie 9 biliardów) – a nawet wszystkie na raz.
Zaczynając od ustawienia wszystkich kubitów na 0, badacze Google zastosowali do poszczególnych kubitów i sparowali losowy, ale stały zestaw operacji logicznych lub bramek w ciągu 20 cykli, a następnie odczytali kubity. W prosty sposób fale kwantowe reprezentujące wszystkie możliwe wyjścia zakłócały kubity, a bramki tworzyły zakłócenia, które wzmacniały niektóre wyjścia i anulowały inne. Więc niektórzy musieli wydawać się bardziej prawdopodobni niż inni. W ciągu milionów prób wyłonił się drażliwy wzorzec wyjściowy.
Naukowcy z Google argumentowali, że symulowanie tych efektów interferencji przytłoczyłoby nawet Summit, superkomputer w Oak Ridge National Laboratory, który ma 9216 procesorów i 27 648 szybszych procesorów graficznych (GPU). Naukowcy z IBM, który opracował program Summit, szybko odpowiedzieli, że gdyby wykorzystali każdy kawałek dostępnego dysku twardego komputera, mógłby on obsłużyć obliczenia w ciągu kilku dni. Teraz Pan Zhang, fizyk statystyczny z Instytutu Fizyki Teoretycznej Chińskiej Akademii Nauk, wraz z kolegami pokazali, jak pokonać jawor w artykule badawczym opublikowanym w fizyczne wiadomości przeglądowe.
Po innych Zhang i jego koledzy przeformułowali problem jako trójwymiarową macierz matematyczną zwaną siecią tensorową. Składa się z 20 warstw, po jednej dla każdego cyklu bramek, przy czym każda warstwa składa się z 53 punktów, po jednym dla każdego kubitu. Linie łączyły kropki, reprezentując bramki, przy czym każda bramka została zakodowana w tensorze – dwu- lub czterowymiarowej siatce liczb zespolonych. Przeprowadzenie symulacji, a następnie zredukowanie do trafienia we wszystkie tensory. „Zaletą metody sieci tensorowej jest to, że możemy używać wielu procesorów graficznych do równoległego wykonywania obliczeń” — mówi Chang.
Zhang i jego koledzy również opierali się na kluczowej idei: obliczenia Sycamore były dalekie od dokładności, więc ich obliczenia nie musiały być. Sycamore obliczył rozkład wyjść z szacowaną dokładnością 0,2% – akurat tyle, aby odróżnić intensywność szumu w obwodzie. Tak więc zespół Zhanga zastąpił dokładność szybkością, przecinając niektóre linie w jego sieci i eliminując odpowiadające im bramki. Brakujące zaledwie osiem linii spowodowało, że obliczenia były 256 razy szybsze przy zachowaniu dokładności 0,37%.
Naukowcy obliczyli wzór wyjściowy dla miliona z 9 biliardów możliwych serii liczbowych, opierając się na własnej innowacji, aby uzyskać prawdziwie losowy zestaw reprezentatywny. Obliczenia zajęły 15 godzin na 512 procesorach graficznych i przyniosły drażliwe wyniki. „Można śmiało powiedzieć, że doświadczenie Google było symulowane na konwencjonalnym komputerze” – mówi Dominic Hangletter, informatyk kwantowy z University of Maryland w College Park. Na superkomputerze obliczenia trwają kilkadziesiąt sekund, mówi Chang — 10 miliardów razy szybciej niż oszacował zespół Google.
Naukowcy twierdzą, że ten postęp podkreśla niebezpieczeństwa wyścigu komputera kwantowego z komputerem klasycznym. „Istnieje pilna potrzeba lepszych badań ilościowych” – mówi Aronson. Zhang sugeruje bardziej praktyczne podejście: „Musimy znaleźć kilka rzeczywistych zastosowań, aby udowodnić przewagę kwantową”.
Jednak naukowcy twierdzą, że oferta Google nie była tylko propagandą. Zhang zwrócił uwagę, że jawor wymaga znacznie mniej operacji i mniejszej mocy niż superkomputer. Mówi, że gdyby Sycamore miał nieco wyższą rozdzielczość, symulacja jego zespołu nie mogłaby być kontynuowana. Jak powiedział Hangleiter: „Eksperyment Google zrobił to, co powinien, rozpocząć ten wyścig”.
„Zła entuzjasta podróży. Irytująco skromny ćpun internetu. Nieprzepraszający alkoholiczek”.
