Ένα νέο πείραμα της IBM δίνει ένα ακόμη ενδιαφέρον παράδειγμα του τι μπορεί να σημαίνει στην πράξη το quantum advantage. Ο κβαντικός επεξεργαστής Nighthawk r2 κατάφερε να παραγάγει ένα εκατομμύριο δείγματα από μια εξαιρετικά δύσκολη κβαντική διαδικασία σε μόλις 19 δευτερόλεπτα. Η αντίστοιχη εργασία εκτιμάται ότι θα απαιτούσε περίπου 110 χρόνια σε έναν ισχυρό κλασικό υπερυπολογιστή.
Η επίδοση παρουσιάστηκε σε preprint στο arXiv και αφορά έναν συγκεκριμένο υπολογισμό που ονομάζεται Random Circuit Sampling (RCS). Πρόκειται για ένα πρόβλημα σχεδιασμένο έτσι ώστε, όσο αυξάνεται η πολυπλοκότητα του κβαντικού κυκλώματος, να γίνεται εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθεί από έναν συμβατικό υπολογιστή.
Τι έκανε ο Nighthawk r2
Ο Nighthawk r2 διαθέτει 120 qubits, όμως για το συγκεκριμένο πείραμα οι ερευνητές χρησιμοποίησαν 61 από αυτά.
Τα qubits υποβλήθηκαν σε διαδοχικούς κύκλους λειτουργιών που τα χειρίζονται και τα «μπλέκουν» μεταξύ τους. Οι ερευνητές αύξαναν σταδιακά την πολυπλοκότητα του κυκλώματος, μέχρι να φτάσουν στους 36 κύκλους, όπου χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 918 two-qubit gates.
Σε αυτό το σημείο ο Nighthawk r2 μπόρεσε να δημιουργήσει 1.000.000 διαφορετικά δείγματα σε 19 δευτερόλεπτα.
Υπάρχει επίσης ένα σημαντικό στοιχείο, καθώς το πείραμα έγινε μέσω της κανονικής cloud πλατφόρμας της IBM, χωρίς ειδική βαθμονόμηση του κβαντικού επεξεργαστή για τη συγκεκριμένη δοκιμή.
Γιατί χρειάζονται 110 χρόνια στον συμβατικό υπολογισμό;
Το δύσκολο δεν είναι να παραχθούν τα δείγματα από το κβαντικό σύστημα. Το πρόβλημα για έναν κλασικό υπολογιστή είναι να υπολογίσει την τεράστια κατανομή πιθανοτήτων που απαιτείται για να αναπαραγάγει το ίδιο αποτέλεσμα.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται tensor-network contraction, προκειμένου να εκτιμήσουν πόση υπολογιστική εργασία θα απαιτούνταν από ένα κλασικό σύστημα. Ο υπολογισμός τους έδειξε περίπου 1,2 × 10²⁷ πράξεις.
Με βάση τη συγκεκριμένη μεθοδολογία και την εκτιμώμενη απόδοση του supercomputer Frontier, η ίδια εργασία θα αντιστοιχούσε σε περίπου 110 χρόνια υπολογισμού.
Τα 110 χρόνια δεν αποτελούν θεμελιώδες όριο
Ο αριθμός αυτός χρειάζεται όμως μια σημαντική διευκρίνιση, καθώς δεν σημαίνει ότι κανένας υπερυπολογιστής δεν μπορεί να το κάνει.
Τα 110 χρόνια δεν αποτελούν θεμελιώδες όριο για τους κλασικούς υπολογιστές. Είναι μια εκτίμηση που βασίζεται στη συγκεκριμένη τεχνική προσομοίωσης.
Η ιστορία της πληροφορικής έχει δείξει ότι οι ερευνητές συχνά βρίσκουν πιο αποδοτικούς αλγορίθμους, μειώνοντας δραματικά τον απαιτούμενο υπολογιστικό χρόνο. Οι ίδιοι οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβεί και στην προκειμένη περίπτωση.
Επομένως, το συμπέρασμα δεν είναι ότι ένας κβαντικός υπολογιστής είναι πλέον γενικά ταχύτερος από κάθε supercomputer. Είναι ότι σε αυτό το συγκεκριμένο benchmark, ο κβαντικός επεξεργαστής εμφανίζει ένα πολύ μεγάλο υπολογιστικό πλεονέκτημα.
Γιατί έχει σημασία
Το πιο ενδιαφέρον στοιχείο της έρευνας είναι ότι δεν χρησιμοποιήθηκε ένα ειδικό εργαστηριακό πρωτότυπο. Ο Nighthawk r2 είναι ένας κβαντικός επεξεργαστής διαθέσιμος εμπορικά μέσω του cloud της IBM.
Οι ερευνητές έχουν μάλιστα δημοσιεύσει τα κυκλώματα, τα δείγματα και τον κώδικα ανάλυσης, ώστε άλλοι επιστήμονες να μπορούν να επαναλάβουν το πείραμα και να ελέγξουν τα αποτελέσματα.
Η μελέτη δεν έχει ακόμη περάσει από peer review, οπότε τα αποτελέσματα παραμένουν προς το παρόν υπό αξιολόγηση.
Παρόλα αυτά, δείχνει ένα σημαντικό σημείο στην εξέλιξη των κβαντικών υπολογιστών. Το ερώτημα δεν είναι πλέον μόνο αν μπορούν θεωρητικά να ξεπεράσουν τους κλασικούς υπολογιστές, αλλά σε ποιες συγκεκριμένες εργασίες μπορούν να το κάνουν σήμερα και πόσο εύκολα μπορεί αυτό να επιβεβαιωθεί.
