Οι απλοί υπολογιστές μπορούν τελικά να νικήσουν τον κβαντικό υπολογιστή της Google

Αν η εποχή των κβαντικών υπολογιστών ξημέρωσε πριν από 3 χρόνια, ο ανατέλλοντος ήλιος της μπορεί να έχει σκαρφαλώσει πίσω από ένα σύννεφο. Το 2019, οι ερευνητές της Google ισχυρίστηκαν ότι είχαν περάσει ένα ορόσημο γνωστό ως κβαντική υπεροχή, όταν ο κβαντικός υπολογιστής τους Sycamore εκτέλεσε σε 200 δευτερόλεπτα έναν περίεργο υπολογισμό που έλεγαν ότι θα έδενε έναν υπερυπολογιστή για 10.000 χρόνια. Τώρα, οι επιστήμονες στην Κίνα έχουν κάνει τον υπολογισμό σε λίγες ώρες με συνηθισμένους επεξεργαστές. Ένας υπερυπολογιστής, λένε, θα μπορούσε να νικήσει το Sycamore.

«Νομίζω ότι έχουν δίκιο ότι αν είχαν πρόσβαση σε έναν αρκετά μεγάλο υπερυπολογιστή, θα μπορούσαν να έχουν προσομοιώσει την … εργασία μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα», λέει ο Scott Aaronson, επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Ώστιν. Η πρόοδος αφαιρεί λίγο τη λάμψη από τον ισχυρισμό της Google, λέει ο Greg Kuperberg, μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis. "Το να φτάσετε στα 300 πόδια από την κορυφή είναι λιγότερο συναρπαστικό από το να φτάσετε στην κορυφή."

Ωστόσο, η υπόσχεση για κβαντικούς υπολογισμούς παραμένει αμείωτη, λένε ο Kuperberg και άλλοι. Και ο Sergio Boixo, κύριος επιστήμονας για το Google Quantum AI, είπε σε ένα email ότι η ομάδα της Google γνώριζε ότι το πλεονέκτημά του μπορεί να μην κρατήσει για πολύ. «Στην εργασία μας του 2019, είπαμε ότι οι κλασικοί αλγόριθμοι θα βελτιωθούν», είπε. Όμως, "δεν πιστεύουμε ότι αυτή η κλασική προσέγγιση μπορεί να συμβαδίσει με τα κβαντικά κυκλώματα το 2022 και μετά."

Το «πρόβλημα» που επιλύθηκε ο Sycamore σχεδιάστηκε ώστε να είναι δύσκολο για έναν συμβατικό υπολογιστή αλλά όσο το δυνατόν πιο εύκολο για έναν κβαντικό υπολογιστή, ο οποίος χειρίζεται qubits που μπορούν να ρυθμιστούν σε 0, 1 ή —χάρη στην κβαντική μηχανική— οποιονδήποτε συνδυασμό 0 και 1 Την ίδια στιγμή. Μαζί, τα 53 qubits του Sycamore, τα μικροσκοπικά ηλεκτρικά κυκλώματα συντονισμού από υπεραγώγιμο μέταλλο, μπορούν να κωδικοποιήσουν οποιονδήποτε αριθμό από το 0 έως το 2 (περίπου 9 τετράδισεκα)—ή ακόμα και όλους ταυτόχρονα.

Ξεκινώντας με όλα τα qubits που έχουν οριστεί στο 0, οι ερευνητές της Google εφάρμοσαν σε μεμονωμένα qubits και ζευγαρώνουν ένα τυχαίο αλλά σταθερό σύνολο λογικών πράξεων ή πυλών, σε διάστημα 20 κύκλων, και στη συνέχεια διάβασαν τα qubits. Μιλώντας χοντροκομμένα, τα κβαντικά κύματα που αντιπροσωπεύουν όλες τις πιθανές εξόδους έπεσαν στα qubits και οι πύλες δημιούργησαν παρεμβολές που ενίσχυσαν ορισμένες εξόδους και ακύρωσαν άλλες. Άρα κάποιοι θα έπρεπε να είχαν εμφανιστεί με μεγαλύτερη πιθανότητα από άλλους. Σε εκατομμύρια δοκιμές, εμφανίστηκε ένα αιχμηρό μοτίβο εξόδου.

Οι ερευνητές της Google υποστήριξαν ότι η προσομοίωση αυτών των φαινομένων παρεμβολής θα κατακλύσει ακόμη και τον Summit, έναν υπερυπολογιστή στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge, ο οποίος διαθέτει 9216 κεντρικές μονάδες επεξεργασίας και 27.648 ταχύτερες μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU). Οι ερευνητές της IBM, που ανέπτυξε το Summit, αντέδρασαν γρήγορα ότι εάν εκμεταλλευόταν κάθε κομμάτι σκληρού δίσκου που ήταν διαθέσιμος στον υπολογιστή, θα μπορούσε να χειριστεί τον υπολογισμό σε λίγες μέρες. Τώρα, ο Pan Zhang, ένας στατιστικός φυσικός στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, και οι συνάδελφοί του έχουν δείξει πώς να νικήσετε το Sycamore σε μια εφημερίδα που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters .

Ακολουθώντας άλλους, ο Zhang και οι συνεργάτες του αναδιατύπωσαν το πρόβλημα ως μια τρισδιάστατη μαθηματική διάταξη που ονομάζεται δίκτυο τανυστών. Αποτελούνταν από 20 επίπεδα, ένα για κάθε κύκλο πυλών, με κάθε στρώμα να περιλαμβάνει 53 κουκκίδες, μία για κάθε qubit. Οι γραμμές συνέδεαν τις κουκκίδες για να αναπαραστήσουν τις πύλες, με κάθε πύλη κωδικοποιημένη σε έναν τανυστή - ένα 2D ή 4D πλέγμα μιγαδικών αριθμών. Η εκτέλεση της προσομοίωσης στη συνέχεια μειώθηκε σε, ουσιαστικά, πολλαπλασιασμό όλων των τανυστών. "Το πλεονέκτημα της μεθόδου του τανυστικού δικτύου είναι ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολλές GPU για να κάνουμε τους υπολογισμούς παράλληλα", λέει ο Zhang.

Ο Zhang και οι συνεργάτες του βασίστηκαν επίσης σε μια βασική ιδέα:ο υπολογισμός του Sycamore απείχε πολύ από το να είναι ακριβής, επομένως δεν χρειαζόταν να είναι ούτε ο δικός τους. Το Sycamore υπολόγισε την κατανομή των εξόδων με εκτιμώμενη πιστότητα 0,2% — αρκετή ακριβώς για να διακρίνει την αιχμηρότητα που μοιάζει με δακτυλικό αποτύπωμα από τον θόρυβο στο κύκλωμα. Έτσι, η ομάδα του Zhang αντάλλαξε την ακρίβεια με την ταχύτητα κόβοντας κάποιες γραμμές στο δίκτυό της και εξαλείφοντας τις αντίστοιχες πύλες. Η απώλεια μόλις οκτώ γραμμών έκανε τον υπολογισμό 256 φορές πιο γρήγορο, διατηρώντας παράλληλα πιστότητα 0,37%.

Οι ερευνητές υπολόγισαν το μοτίβο εξόδου για 1 εκατομμύριο από τα 9 τετρά εκατομμύρια πιθανές συμβολοσειρές αριθμών, βασιζόμενοι σε μια δική τους καινοτομία για να αποκτήσουν ένα πραγματικά τυχαίο, αντιπροσωπευτικό σύνολο. Ο υπολογισμός διήρκεσε 15 ώρες σε 512 GPU και απέδωσε την ενδεικτική αιχμηρή έξοδο. «Είναι δίκαιο να πούμε ότι το πείραμα της Google έχει προσομοιωθεί σε έναν συμβατικό υπολογιστή», λέει ο Dominik Hangleiter, επιστήμονας κβαντικών υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Maryland, College Park. Σε έναν υπερυπολογιστή, ο υπολογισμός θα διαρκούσε μερικές δεκάδες δευτερόλεπτα, λέει ο Zhang—10 δισεκατομμύρια φορές πιο γρήγορα από ό,τι υπολόγισε η ομάδα της Google.

Η πρόοδος υπογραμμίζει τις παγίδες του αγώνα ενός κβαντικού υπολογιστή με έναν συμβατικό, λένε οι ερευνητές. «Υπάρχει επείγουσα ανάγκη για καλύτερα πειράματα κβαντικής υπεροχής», λέει ο Aaronson. Ο Zhang προτείνει μια πιο πρακτική προσέγγιση:«Θα πρέπει να βρούμε κάποιες πραγματικές εφαρμογές για να δείξουμε το κβαντικό πλεονέκτημα».

Ωστόσο, η επίδειξη της Google δεν ήταν απλώς διαφημιστική εκστρατεία, λένε οι ερευνητές. Το Sycamore απαιτούσε πολύ λιγότερες λειτουργίες και λιγότερη ενέργεια από έναν υπερυπολογιστή, σημειώνει ο Zhang. Και αν ο Sycamore είχε ελαφρώς υψηλότερη πιστότητα, λέει, η προσομοίωση της ομάδας του δεν θα μπορούσε να συνεχιστεί. Όπως το θέτει ο Hangleiter, "Το πείραμα της Google έκανε αυτό που έπρεπε να κάνει, ξεκινήστε αυτόν τον αγώνα."